Au(111) 表面单分子磁体 Mn$_{12}$ 单分子层的第一性原理研究

利用自旋极化密度泛函理论研究了 Au(111) 表面上单分子磁体 Mn$_{12}$ 单分子层的电子结构。Mn$_{12}$ 分子的取向使其磁易轴垂直于表面，且 Mn$_{12}$ 中的末端配体被硫醇基团 (-SH) 取代，其中 H 原子在吸附到表面时丢失。这种硫端基 Mn$_{12}$ 分子在基态下的总磁矩为 18 $\mu_B$，而标准 Mn$_{12}$ 为 20 $\mu_B$。由于分子与金表面的相互作用，Mn$_{12}$ 分子轨道发生展宽，展宽量级为 0.1 eV。这比分子的单电子充电能量小一个数量级，因此分子与表面结合较弱。由于金的费米能级远高于多数自旋最低未占据分子轨道 (LUMO) 但低于少数自旋 LUMO，只有多数自旋电子可以从表面转移到硫端基 Mn$_{12}$。计算得出的电荷转移量为 1.23 个电子，主要由金表面电子分布的尾部主导。对充电后能级移动的计算表明有 0.28 个电子发生转移。大部分电荷转移发生在靠近表面的 S、C 和 O 原子上。由于吸附到表面后 S 和 Mn 原子上的磁矩重排，总磁矩也从 18 $\mu_B$ 变为 20 $\mu_B$。在密度泛函理论中自洽地包含自旋 - 轨道相互作用，计算了磁各向异性势垒。与孤立 Mn$_{12}$ 分子相比，金表面上的 Mn$_{12}$ 势垒降低了 6 K。