A new methodology for finding the low-energy structures of transition metal clusters is developed. A two-step strategy of successive density functional tight binding (DFTB) and density functional theory (DFT) investigations is employed. The cluster configuration space is impartially searched for candidate ground-state structures using a new single-parent genetic algorithm [I. Rata et al., Phys. Rev. Lett. 85, 546 (2000)] combined with DFTB. Separate searches are conducted for different total spin states. The ten lowest energy structures for each spin state in DFTB are optimized further at a first-principles level in DFT, yielding the optimal structures and optimal spin states for the clusters. The methodology is applied to investigate the structures of Fe4,Fe7,Fe10, and Fe19 clusters. Our results demonstrate the applicability of DFTB as an efficient tool in generating the possible candidates for the ground state and higher energy structures of iron clusters. Trends in the physical properties of iron clusters are also studied by approximating the structures of iron clusters in the size range n=2–26 by Lennard-Jones-type structures. We find that the magnetic moment of the clusters remains in the vicinity of B/atom over this entire size range.

1.
A. A.
Shvartsburg
,
R. R.
Hudgins
,
P.
Dugourd
, and
M. F.
Jarrold
,
Chem. Soc. Rev.
30
,
26
(
2001
).
2.
K. M.
Ho
,
A. A.
Shvartsburg
,
B. C.
Pan
,
Z. Y.
Lu
,
C. Z.
Wang
,
J. G.
Wacker
,
J. L.
Fye
, and
M. F.
Jarrold
,
Nature (London)
392
,
582
(
1998
).
3.
A. A.
Shvartsburg
,
B.
Liu
,
Z. Y.
Lu
,
C. Z.
Wang
,
M. F.
Jarrold
, and
K. M.
Ho
,
Phys. Rev. Lett.
83
,
2167
(
1999
).
4.
S. J.
Riley
,
J. Non-Cryst. Solids
205–207
,
781
(
1996
).
5.
E. K.
Parks
,
B. H.
Weiller
,
P. S.
Bechthold
,
W. F.
Hoffman
,
G. C.
Nieman
,
L. G.
Pobo
, and
S. J.
Riley
,
J. Chem. Phys.
88
,
1622
(
1988
).
6.
E. K.
Parks
,
G. C.
Nieman
,
L. G.
Pobo
, and
S. R.
Riley
,
J. Chem. Phys.
88
,
6260
(
1988
).
7.
B. H.
Weiller
,
P. S.
Bechthold
,
E. K.
Parks
,
L. G.
Pobo
, and
S. J.
Riley
,
J. Chem. Phys.
91
,
4714
(
1989
).
8.
E. K.
Parks
,
B. J.
Winter
,
T. D.
Klots
, and
S. J.
Riley
,
J. Chem. Phys.
96
,
8267
(
1992
).
9.
T. L.
Haslett
,
K. A.
Bosnick
, and
M.
Moskovits
,
J. Chem. Phys.
108
,
3453
(
1998
).
10.
T. L.
Haslett
,
K. A.
Bosnick
,
S.
Fedrigo
, and
M.
Moskovits
,
J. Chem. Phys.
111
,
6456
(
1999
).
11.
D. M.
Deaven
and
K. M.
Ho
,
Phys. Rev. Lett.
75
,
288
(
1995
).
12.
D.
Porezag
,
T.
Frauenheim
,
T.
Köhler
,
G.
Seifert
, and
R.
Kaschner
,
Phys. Rev. B
51
,
12947
(
1995
).
13.
M.
Elstner
,
D.
Porezag
,
G.
Jungnickel
,
J.
Elsner
,
M.
Haugk
,
T.
Frauenheim
,
S.
Suhai
, and
G.
Seifert
,
Phys. Rev. B
58
,
7260
(
1998
).
14.
Th.
Frauenheim
,
G.
Seifert
,
M.
Elstner
,
Z.
Hajnal
,
G.
Jungnickel
,
D.
Porezag
,
S.
Suhai
, and
R.
Scholz
,
Phys. Status Solidi B
217
,
41
(
2000
).
15.
A.
Sieck
,
D.
Porezag
,
T.
Frauenheim
,
M. R.
Pederson
, and
K. A.
Jackson
,
Phys. Rev. A
56
,
4890
(
1997
).
16.
K. A.
Jackson
,
G.
Jungnickel
, and
T.
Frauenheim
,
Chem. Phys. Lett.
292
,
235
(
1998
).
17.
G.
Jungnickel
,
T.
Frauenheim
, and
K. A.
Jackson
,
J. Chem. Phys.
112
,
1295
(
2000
).
18.
I.
Rata
,
A. A.
Shvartsburg
,
M.
Horoi
,
T.
Frauenheim
,
K. W. M.
Siu
, and
K. A.
Jackson
,
Phys. Rev. Lett.
85
,
546
(
2000
).
19.
G.
Seifert
,
D.
Porezag
,
T.
Frauenheim
,
Int. J. Quantum Chem.
98
,
185
(
1996
).
20.
P.
Alippi
,
L.
Colombo
,
P.
Ruggerone
,
A.
Sieck
,
G.
Seifert
, and
T.
Frauenheim
,
Phys. Rev. B
64
,
75207
(
2001
).
21.
J. S. Smart, Effective Field Theories of Magnetism (Saunders, Philadelphia, 1966).
22.
W. A.
de Heer
,
P.
Milani
, and
A.
Chatelain
,
Phys. Rev. Lett.
65
,
488
(
1990
).
23.
D. M.
Cox
,
D. J.
Trevor
,
R. L.
Whetten
,
E. A.
Rohlfing
, and
A.
Kaldor
,
Phys. Rev. B
32
,
7290
(
1985
).
24.
I. M. L.
Billas
,
J. A.
Becker
,
A.
Chatelain
, and
W. A.
de Heer
,
Phys. Rev. Lett.
71
,
4067
(
1993
).
25.
I. M. L.
Billas
,
A.
Chatelain
, and
W. A.
de Heer
,
Science
265
,
1682
(
1994
).
26.
J. L.
Chen
,
C. S.
Wang
,
K. A.
Jackson
, and
M. R.
Pederson
,
Phys. Rev. B
44
,
6558
(
1991
).
27.
M.
Castro
and
D. R.
Salahub
,
Phys. Rev. B
47
,
10955
(
1993
).
28.
P.
Ballone
and
R. O.
Jones
,
Chem. Phys. Lett.
233
,
632
(
1995
).
29.
M.
Castro
,
Int. J. Quantum Chem.
64
,
223
(
1997
).
30.
M.
Castro
,
C.
Jamorski
, and
D. R.
Salahub
,
Chem. Phys. Lett.
271
,
133
(
1997
).
31.
C. Y.
Yang
,
K. H.
Johnson
,
D. R.
Salahub
,
J.
Kaspar
, and
R. P.
Messmer
,
Phys. Rev. B
24
,
5673
(
1981
).
32.
B. I.
Dunlap
,
Phys. Rev. A
41
,
5691
(
1990
).
33.
H. M.
Duan
and
Q. Q.
Zheng
,
Phys. Lett. A
280
,
333
(
2001
).
34.
H.-P.
Cheng
and
D. E.
Ellis
,
J. Chem. Phys.
94
,
3735
(
1990
).
35.
G. M.
Pastor
,
J.
Dorantes-Davila
, and
K. H.
Bennemann
,
Phys. Rev. B
40
,
7642
(
1989
).
36.
A. N.
Andriotis
,
N.
Lathiotakis
, and
M.
Menon
,
Chem. Phys. Lett.
260
,
15
(
1996
).
37.
N.
Andriotis
and
M.
Menon
,
Phys. Rev. B
57
,
10069
(
1998
).
38.
M. R.
Press
,
F.
Liu
,
S. N.
Khanna
, and
P.
Jena
,
Phys. Rev. B
40
,
399
(
1989
).
39.
O. B.
Cristensen
and
M. L.
Cohen
,
Phys. Rev. B
47
,
13643
(
1993
).
40.
O.
Dieguez
,
R. C.
Longo
,
C.
Rey
, and
L. J.
Gallego
,
Eur. Phys. J. D
7
,
573
(
1999
).
41.
O.
Dieguez
,
M. M. G.
Alemany
,
C.
Rey
,
P.
Ordejon
, and
L. J.
Gallego
,
Phys. Rev. B
63
,
205407
(
2001
).
42.
M. S.
Stave
and
A. E.
DePristo
,
J. Chem. Phys.
97
,
3386
(
1992
).
43.
M.
Sakurai
,
K.
Watanabe
,
K.
Sumiyama
, and
K.
Suzuki
,
J. Chem. Phys.
111
,
235
(
1999
).
44.
M. R.
Pederson
and
K. A.
Jackson
,
Phys. Rev. B
41
,
7453
(
1990
).
45.
K. A.
Jackson
and
M. R.
Pederson
,
Phys. Rev. B
42
,
3276
(
1990
).
46.
D. V.
Porezag
and
M. A.
Pederson
,
Phys. Rev. B
54
,
7830
(
1996
).
47.
M. R.
Pederson
,
D. V.
Porezag
,
J.
Kortus
, and
D. C.
Patton
,
Phys. Status Solidi B
217
,
197
(
2000
).
48.
J. P.
Perdew
and
A.
Zunger
,
Phys. Rev. B
23
,
5048
(
1981
).
49.
D. C.
Liu
and
J.
Nocedal
,
Math. Program.
45
,
503
(
1989
).
50.
K. A. Jackson and M. Horoi, unpublished data.
51.
T.
Oda
,
A.
Pasquarello
, and
R.
Car
,
Phys. Rev. Lett.
80
,
3622
(
1998
).
52.
J. P.
Perdew
and
Y.
Wang
,
Phys. Rev. B
33
,
8800
(
1986
).
53.
J. P.
Perdew
,
Phys. Rev. B
33
,
8822
(
1986
).
54.
J. P.
Perdew
,
Phys. Rev. B
34
,
7406
(
1986
).
55.
D. J.
Wales
and
J. P. K.
Doye
,
J. Phys. Chem. A
101
,
5111
(
1997
).
56.
M. B.
Knickelbein
,
Phys. Rev. Lett.
86
,
5255
(
2001
).
57.
M. B. Knickelbein, Chem. Phys. Letters (in press).
58.
R. N.
Nogueira
and
H. M.
Petrilli
,
Phys. Rev. B
60
,
4120
(
1999
).
This content is only available via PDF.
You do not currently have access to this content.