富勒烯衍生物納米材料的密度泛函研究.pdf

1、近年來由于相關理論和數(shù)值算法的飛速發(fā)展，使得密度泛函理論(density functional theory,DFT)成為凝聚態(tài)物理、量子化學和材料科學的重要研究方法。本論文主要對經典富勒烯C60、“遺失的富勒烯”C72和C74以及非典型富勒烯C64的摻雜衍生物的幾何結構、電子性質和光學性質等進行密度泛函研究。此外，本論文還對Si(100)-(2×1)表面吸附硫醇分子的相關性質等進行密度泛函研究。 第一章簡要介紹了富勒烯領域和表

2、面科學的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展前景。 第二章簡要介紹了密度泛函理論的基本框架和近年來的發(fā)展。密度泛函理論的發(fā)展以尋找適當?shù)慕粨Q和關聯(lián)能量泛函為主線。從最初的局域密度近似(local density　approximation，LDA)、廣義梯度近似(generally gradient approximation，GGA)到現(xiàn)在的非局域泛函、自相互作用修正和多種泛函形式的相繼出現(xiàn)使得密度泛函理論可以提供越來越精確的計算結果。在發(fā)展方法和

3、編制程序的同時，人們也常常使用一些已有的軟件包進行材料物性研究。在本章的最后簡單介紹了一些常用的密度泛函模擬計算軟件包。 第三章和第四章研究的是經典富勒烯C60替代摻雜衍生物C58Fe2和內摻摻雜衍生物Fe@C60的幾何結構和電子性質。幾何結構研究表明C58Fe2中的兩個Fe原子替代C60籠子中的一個[6，6]鍵時形成最穩(wěn)定的結構，而Fe@C60中的Fe原子在籠子內部穩(wěn)定于靠近C60的六邊形中心處形成的結構最穩(wěn)定。電子性質分析發(fā)

4、現(xiàn)，C59Fe分子和其中Fe原子的磁性完全淬滅，與C59Fe截然不同的是，C58Fe2和Fe@C60分子和其中的Fe原子都具有一定的磁性。 第五章到第八章關注“遺失的富勒烯”C72和C74。本部分對實驗上已經成功合成和分離的衍生物La2@C72、Si@C74、Ba@C74和La@C74 (C6H3Cl2)進行密度泛函研究。對于幾何結構而言，發(fā)現(xiàn)：在三種La2@C72同分異構體中，有著兩對兩兩相鄰五邊形的La2@C72(＃1061

5、1)結構最為穩(wěn)定；半導體Si在C74內部穩(wěn)定于σh平面上靠近五邊形中心處；而金屬原子Ba和La在C74內部穩(wěn)定于σh平面上的C2對稱軸上靠近［6，6］雙鍵處。對于電子性質而言，Si@C74中的si-C鍵既具有離子性又具有共價性。Ba@C74和La@C74的靜態(tài)線性極化率分量αxx和αyy都是零。La@C74籠子帶有1μB的磁矩，而La@C74(C6H3Cl2)卻有著閉殼層的電子結構。 第九章和第十章研究非典型富勒烯C64的外摻摻

6、雜衍生物C64X(X=Si和Ge)和C64X4(X=H、F、Cl、Br和I)的幾何結構和電子性質。C64的最低未占據軌道的波函數(shù)占據在三個直接相鄰五邊形上，因此該位置是化學反應中活性最強的區(qū)域，有利于外來原子在該位置的吸附，三個直接相鄰五邊形的公共頂點被確定為X原子在籠子外部最穩(wěn)定的吸附位置。最穩(wěn)定C64Si和C64Ge結構的反應熱分別是1.82和0.49eV，表明從能量的角度來看該結構的合成反應可以進行。前線軌道理論(frontier

7、 orbitaltheory,FOT)能夠很好地從理論上分析合成C64Si和C64Ge的可能性。隨著原子序數(shù)的增加，C64X4(X=F、Cl、Br和I)的結構穩(wěn)定性呈現(xiàn)一個逐漸降低的趨勢，因為穩(wěn)定性比C64H4差的C64Cl4已經在實驗上成功合成，所以，C64F4將來一定可以在實驗上被成功合成。C64X4(X=F、Cl、Br和I)的電負性也隨著X的增加而逐漸降低，C-X基團的電負性因為加成位置的不同而不同。最后一章分析0.5ML覆蓋度下

8、Ally Mercaptan(ALM)/Si(100)-(2×1)表面的幾何結構和電子性質。計算得到0.5ML覆蓋度的ALM分子吸附到Si(100)-(2×1)表面上的吸附能是3.36eV，表明吸附從能量的角度來看可以進行。Si(100)-(2×1)、ALM/Si(100)-(2×1)和H/Si(100)-(2×1)的導帶底和價帶頂對應著不同K點，同時，費米面沒有能級穿過，所以，三個表面都體現(xiàn)間接帶隙半導體特性。當ALM分子吸附到滿H原