Prediction of beryllium clusters (Ben; n = 3–25) from first principles

文献情報

出版日 2021-08-12
DOI 10.1039/D1CP02513A
インパクトファクター 3.676
著者

Behnaz Abyaz, Zabiollah Mahdavifar, Georg Schreckenbach


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要旨

Evolutionary searches using the USPEX method (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography) combined with density functional theory (DFT) calculations were performed to obtain the global minimum structures of beryllium (Ben, n = 3–25) clusters. The thermodynamic stability, optoelectronic and photocatalytic properties as well as the nature of bonding are considered for the most stable clusters. It is found that the cluster with n = 15 is the transition point at which the configurations change from 3D hollow cages to filled cage structures (with an interior atom appearing in the structure). All the ground state structures are energetically favorable with negative binding energies, suggesting good synthetic feasibility for these structures. The calculated relative stabilities and electronic structure show that the Be4, Be10 and, Be17 clusters are the most stable structures and can be considered as superatoms. The electron configurations of Be4, Be10 and Be17 clusters with 8, 20 and 34 electrons are identified as 1S2 1P6, 1S2 1P6 1D10 2S2, 1S2 1P6 1D10 2S2 1F14, respectively. Theoretical simulations determined that all the ground state structures exhibit excellent thermal stability, where the upper-limit temperature that the structures can tolerate is 900 K. During AIMD simulation of O2 adsorption onto the Be17 cluster an interesting phenomenon was happening in which the pristine Be17 cluster becomes a new stable Be17O16 cluster. Based on ELF (electron localization function) analysis, it can be concluded that the Be–Be bonds in the small clusters are primarily of van der Waals type, while for the larger clusters, the bonds are of metallic nature. The Ben clusters show very strong absorption in the UV and visible regions with absorption coefficients larger than 105 cm−1, which suggests a wide range of potential advanced optoelectronics applications. The Be17 cluster has a suitable band alignment in the visible-light excitation region which will produce enhanced photocatalytic activities (making it a promising material for water splitting).

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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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