Distinguishing the Geometric and Electronic Structures of Actinide Carbides AnxC8 (An = Th, U; x = 2, 3) through Exchange Interactions

超级交换 电子结构 化学 锕系元素 磁矩 波函数 自旋(空气动力学) 原子物理学 反铁磁性 凝聚态物理 物理 结晶学 计算化学 无机化学 热力学
作者
Shu‐Xian Hu,Haitao Liu,Lingzhi Cao,Xiaotong Chen,Pengfei Guan,Ping Zhang
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry A [American Chemical Society]
卷期号:128 (5): 829-839
标识
DOI:10.1021/acs.jpca.3c06060
摘要

Global-minimum optimizations combined with relativistic quantum chemistry calculations have been performed to characterize the ground-state stable structures of four titled compounds and to analyze the bonding properties. Th2C8 was identified as being a ThC4–Th(C2)2 structure, U2C8 has been found to favor the U–U(C8) structure, and both Th3C8 and U3C8 adopt the (AnC3)2–(AnC2) structure. Then, the wave function analyses reveal that the interactions between the Th 7s-based orbital and the σg molecular orbital of the C2 unit compensate for the excitation energy of 7s16d1 → 6d2 and lead to the stabilization of two Th(IV)s in the ThC4–Th(C2)2 structure. It also reveals that the U species exhibit magnetic exchange coupling behavior in UxC8, for instance, as seen in the direct interaction of U2C8 and the superexchange pathway of U3C8, which effectively stabilizes their low-spin states. This interpretation indicates that the geometric and electronic structures of AnxC8 species are largely influenced by the local magnetic moment and spin correlation.
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