Relation between structural patterns and magnetism in small iron oxide clusters: reentrance of the magnetic moment at high oxidation ratios‡

文献情報

出版日 2020-11-19
DOI 10.1039/D0CP03795H
インパクトファクター 3.676
著者

R. H. Aguilera-del-Toro, F. Aguilera-Granja, M. B. Torres, A. Vega


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要旨

Due to quantum confinement effects, the understanding of iron oxide nanoparticles is a challenge that opens the possibility of designing nanomaterials with new capacities. In this work, we report a theoretical density functional theory study of the structural, electronic, and magnetic properties of neutral and charged iron oxide clusters FenOm0/± (n = 1–6), with m values until oxygen saturation is achieved. We determine the putative ground state configuration and low-energy structural and spin isomers. Based on the total energy differences between the obtained global minimum structure of the parent clusters and their possible fragments, we explore the fragmentation channels for cationic oxides, comparing with experiments. Our results provide fundamental insight on how the structural pattern develops upon oxidation and its connection with the magnetic couplings and net total moment. Upon addition of oxygen, electronic charge transfer from iron to oxygen is found which weakens the iron–iron bond and consequently the direct exchange coupling in Fe. The binding energy increases as the oxygen ratio increases, rising faster at low oxidation rates. When molecular oxygen adsorption starts to take place, the binding energy increases more slowly. The oxygen environment is a crucial factor related to the stabilities and to the magnetic character of iron oxides. We identified certain iron oxide clusters of special relevance in the context of magnetism due to their high stability, expected abundance and parallel magnetic couplings that cause large total magnetic moments even at high oxidation ratios.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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