低維碳材料結構和穩(wěn)定性的第一性原理計算.pdf

1、低維碳材料具有豐富的形貌結構，其各方面性質也與其結構及尺寸有非常密切的關系。而且可以人為的控制其構型或者尺寸對其電子結構進行調控，以此獲得預期的性質。目前關于石墨炔納米帶的相關研究剛剛興起，對其性質的探討并不多。有報道稱通過施加交變電場可以使鋸齒形α-石墨炔納米帶(ZαGNR)表現(xiàn)出半金屬性，是一種理想的自旋電子器件。而由于其反鐵磁基態(tài)與鐵磁亞穩(wěn)態(tài)之間的能量差過小，反鐵磁態(tài)在室溫下不能穩(wěn)定存在，但這種半金屬性恰恰工作于其反鐵磁基態(tài)結構，

2、因此探索可以使反鐵磁基態(tài)在室溫穩(wěn)定存在的方法具有現(xiàn)實意義。雖然金屬內嵌富勒烯的研究持續(xù)了較長時間，但是其對尋找最小富勒烯的貢獻直到2012年才由Kroto教授課題組提出。而且32電子規(guī)則的實現(xiàn)，也為尋找最小富勒烯提出了一種新的思路。但目前，對于滿足32電子規(guī)則的內嵌金屬C20富勒烯的幾何結構和穩(wěn)定性研究仍未見文獻報道。因此，本論文以低維碳材料的穩(wěn)定性作為主線，探討了影響ZαGNR和內嵌金屬C20富勒烯穩(wěn)定性的因素和相關機理。
　　

3、在探索ZαGNR基態(tài)穩(wěn)定性的研究中，首先使用Siesta軟件對比計算了帶邊單個氫原子和兩個氫原子飽和的ZαGNR的幾何結構和電子結構，發(fā)現(xiàn)其基態(tài)結構均為反鐵磁態(tài);帶邊兩個氫原子飽和的ZαGNR相比于帶邊單個氫原子飽和的ZαGNR，能帶結構發(fā)生了顯著的改變，主要體現(xiàn)在邊緣態(tài)由之前的（2π/3，π）區(qū)域演化到（0，2π/3），且在反鐵磁態(tài)中，直接帶隙變?yōu)殚g接帶隙，禁帶寬度有微小增加;在帶邊單個氫原子飽和的ZαGNR中，邊緣態(tài)波函數(shù)表現(xiàn)出較強

4、的定域性;而在帶邊兩個氫原子飽和的ZαGNR中，邊緣態(tài)波函數(shù)則表現(xiàn)出較強的離域性。之后通過對能量的分析發(fā)現(xiàn):在帶邊兩個氫原子飽和的ZαGNR中，反鐵磁基態(tài)與鐵磁態(tài)亞穩(wěn)態(tài)之間的能量差相比于帶邊單個氫原子飽和的情況有顯著增加，并且其能量差大小可以使反鐵磁基態(tài)在室溫下穩(wěn)定存在。最后探討了影響ZαGNR基態(tài)穩(wěn)定性的因素，發(fā)現(xiàn)中心四個碳原子的磁矩大小和方向決定了體系的能量以及反鐵磁基態(tài)與鐵磁亞穩(wěn)態(tài)之間的能量差。
　　在對C20富勒烯和M@C

5、20團簇(M=Eu3-、Am3-、Gd2-、Cm2-、Tb-、Bk-、Dy、Cf、Ho+、Es+、Er2+、Fm2+、Tm3+、Md3+、Yb4+、No4+、Lu5+和Lr5+)的幾何結構和電子性質的研究中。首先使用Gaussian09軟件包對C20和M@C20的幾何結構使用不同泛函進行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)將具有f電子的金屬原子/離子嵌入具有D2h對稱性C20富勒烯內部可以使體系變?yōu)镮h對稱性，通過頻率分析確定此體系可以穩(wěn)定存在;通過結合能和H