Structural Evolution and Chemical Bonding in Rare-Earth Encapsulated Magnesium Clusters: A CALYPSO-Guided DFT Study of La2Mgn and Lu2Mgn (N = 1–20)

化学 稀土 化学键 土(古典元素) 结晶学 无机化学 天体生物学 物理化学 矿物学 有机化学 物理 数学物理
作者
Ben‐Chao Zhu,Yan-Hua Liao,Chunjing Liu,Lei Bao,Jia Guo
出处
期刊:Inorganic Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:64 (21): 10582-10593 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acs.inorgchem.5c01199
摘要

The initial geometric configurations of gas-phase doped magnesium clusters incorporating rare-earth elements (La2Mgn and Lu2Mgn, n = 1-20) were systematically explored using the CALYPSO structure prediction software. Subsequent density functional theory (DFT) calculations were performed to conduct a comparative analysis of their structural evolution, stability, electronic properties, vibrational spectra, and chemical bonding characteristics. Key findings reveal that both La2Mgn and Lu2Mgn clusters adopt cage-like architectures for medium sizes (n ≥ 10), with rare-earth atoms encapsulated within the magnesium framework. Stability analyses identified La2Mg10, La2Mg15, Lu2Mg10, and Lu2Mg15 as potential ″magic-number″ clusters exhibiting enhanced relative stability. Electronic structure investigations through natural population analysis (NPA) demonstrate consistent electron transfer from Mg to rare-earth atoms, with lutetium exhibiting greater electron affinity than lanthanum. Notably, valence orbital distributions reveal distinct hybridization patterns between 5d/6s (Lu) and 5d/6s/4f (La) atomic orbitals. Theoretical infrared and Raman spectra predictions provide characteristic vibrational fingerprints to guide future experimental identification. Bonding critical point (BCP) analysis via atoms-in-molecules (AIM) theory further elucidates the nature of interatomic interactions in these heterometallic systems.
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