Fe$_{x}$O$_{y}^{+}$团簇的几何、电子与磁结构

固体的几何结构、电子结构与磁性之间的关联既引人入胜又难以捉摸。这一点在小团簇中尤为显著，其中出现了大量不寻常的结构。在此，我们采用密度泛函理论结合遗传搜索算法、GGA$+U$以及杂化泛函，以确定气相 Fe$_{x}$O$_{y}^{+/0}$ 团簇的结构。对于 Fe$_{x}$O$_{y}$ 阳离子团簇，我们还计算了相应的振动谱并与实验进行比较。我们成功识别了 Fe$_{3}$O$_{4}^{+}$、Fe$_{4}$O$_{5}^{+}$、Fe$_{4}$O$_{6}^{+}$、Fe$_{5}$O$_{7}^{+}$，并提出了 Fe$_{6}$O$_{8}^{+}$ 的结构。在 Fe$_{3}$O$_{4}^{+}$ 的三角几何结构中，非共线、亚铁磁和铁磁态的能量相近。Fe$_{4}$O$_{5}^{+}$ 和 Fe$_{4}$O$_{6}^{+}$ 为亚铁磁性，由于电离具有 1~\muB{} 的剩余磁矩。Fe$_{5}$O$_{7}^{+}$ 由于 Fe 原子数为奇数而呈亚铁磁性。我们将电子结构与块体磁铁矿进行比较，发现 Fe$_{4}$O$_{5}^{+}$、Fe$_{4}$O$_{6}^{+}$、Fe$_{6}$O$_{8}^{+}$ 为混合价团簇。相反，在 Fe$_{3}$O$_{4}^{+}$ 和 Fe$_{5}$O$_{7}^{+}$ 中所有 Fe 均为三价。