AUTHOR=Zhu Ben-Chao , Deng Ping-Ji , Zeng Lu 

TITLE=Systematic Theoretical Study on Structural, Stability, Electronic, and Spectral Properties of Si2MgnQ (Q = 0, ±1; n = 1–11) Clusters of Silicon-Magnesium Sensor Material

JOURNAL=Frontiers in Chemistry

VOLUME=7

YEAR=2019

URL=https://www.frontiersin.org/journals/chemistry/articles/10.3389/fchem.2019.00771

DOI=10.3389/fchem.2019.00771

ISSN=2296-2646

ABSTRACT=<p>By using CALYPSO searching method and Density Functional Theory (DFT) method at the B3LYP/6-311G (d) level of cluster method, a systematic study of the structures, stabilities, electronic and spectral properties of Si<sub>2</sub><inline-formula><mml:math id="M2" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext>Mg</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>n</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>Q</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> (<italic>n</italic> = 1–11; <italic>Q</italic> = 0, ±1) clusters of silicon-magnesium sensor material, is performed. According to the calculations, it was found that when <italic>n</italic> &gt; 4, most stable isomers in Si<sub>2</sub><inline-formula><mml:math id="M3" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext>Mg</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>n</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>Q</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> (<italic>n</italic> = 1–11; <italic>Q</italic> = 0, ±1) clusters of silicon-magnesium sensor material are three-dimensional structures. Interestingly, although large size Si<sub>2</sub><inline-formula><mml:math id="M4" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext>Mg</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>n</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>Q</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> clusters show cage-like structures, silicon atoms are not in the center of the cage, but tend to the edge. The Si<sub>2</sub><inline-formula><mml:math id="M5" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext>Mg</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> and Si<sub>2</sub><inline-formula><mml:math id="M6" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext>Mg</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>13</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>7</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>9</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> clusters obviously differ to their corresponding neutral structures, which are in good agreement with the calculated values of VIP, AIP, VEA, and AEA. |VIP-VEA| values reveal that the hardness of Si<sub>2</sub>Mg<sub>n</sub> clusters decreases with the increase of magnesium atoms. The relative stabilities of neutral and charged Si<sub>2</sub><inline-formula><mml:math id="M7" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext>Mg</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>n</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>Q</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> (<italic>n</italic> = 1–11; <italic>Q</italic> = 0, ±1) clusters of silicon-magnesium sensor material is analyzed by calculating the average binding energy, fragmentation energy, second-order energy difference and HOMO-LUMO gaps. The results reveal that the Si<sub>2</sub><inline-formula><mml:math id="M8" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext>Mg</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, Si<sub>2</sub><inline-formula><mml:math id="M9" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext>Mg</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, and Si<sub>2</sub><inline-formula><mml:math id="M10" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext>Mg</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>clusters have stronger stabilities than others. NCP and NEC analysis results show that the charges in Si<sub>2</sub><inline-formula><mml:math id="M11" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext>Mg</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>n</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>Q</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> (<italic>n</italic> = 1–11; <italic>Q</italic> = 0, ±1) clusters of silicon-magnesium sensor material transfer from Mg atoms to Si atoms except for Si<sub>2</sub><inline-formula><mml:math id="M12" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext>Mg</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, and strong sp hybridizations are presented in Si atoms of Si<sub>2</sub><inline-formula><mml:math id="M13" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext>Mg</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>n</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>Q</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> clusters. Finally, the infrared (IR) and Raman spectra of all ground state of Si<sub>2</sub><inline-formula><mml:math id="M14" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext>Mg</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>n</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>Q</mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> (<italic>n</italic> = 1–11; <italic>Q</italic> = 0, ±1) clusters of silicon magnesium sensor material are also discussed.</p>