硼、氮取代石墨烯基本单元的量子化学研究

摘要

石墨烯材料一直是人们研究的热点，但是由于石墨烯容易再次层聚在一起使得石墨烯的应用受到很大限制，将石墨烯与其它材料进行堆叠或者掺杂形成新的复合材料是解决方法之一。氮化硼材料在很多尖端领域具有非常广泛的应用，将氮化硼掺杂入石墨烯材料中形成新型材料，这可能是石墨烯衍生材料产生特异性的根源。
　　为了寻找精确和高效的密度泛函方法来计算石墨烯衍生材料，用硼、氮原子取代石墨烯的基本单元苯环形成硼氮杂苯，与苯、硼吖嗪进行基础性的研究。在MP2/aug-cc-pVTZ水平下优化构型，以高精度的CCSD(T)/CBS金标准方法计算结合能为基准，选用选择包括GGA泛函、杂化泛函和长程分离杂化泛函等12种色散校正密度泛函方法，使用def2-TZVPP基组分别计算了苯二聚体、1-氮-2-硼杂苯二聚体、1,4-二氮-2,5-二硼杂苯二聚体、1,3-二氮-2,4-二硼杂苯二聚体和硼吖嗪二聚体的结合能，以CCSD(T)/CBS为基准计算出各二聚体结合能的误差，并统计出MD、MAD、RMSD和MAX值。所有结合能的计算均使用均衡校正法消除 BSSE，不考虑形变能。计算结果越接近标准值，则计算方法越适用于体系。得出结论，对于此类体系的能量计算，PBE0-D3(BJ)泛函的RMSD值最小，数据偏差的离散度最小，是本体系计算能量较好的方法，其次是 TPSS-D3(BJ)方法， M05-2X-D3方法也可以作为推荐的方法之一。
　　苯环是最典型的的芳香环，硼吖嗪作为苯的等电子体具有芳香性，另外，由等电子体B-N键取代C-C键形成的硼氮杂苯同样符合休克尔规则，硼氮杂苯也具有芳香性。硼、氮原子的取代对分子的几何结构无明显影响。静电势图中，苯中电子密度高度集中在环内，正电势分布在环周围，硼吖嗪的电子密度分布与苯有很大区别，负电势主要集中在氮原子上，正电势在硼原子周围。在硼氮杂苯中，1-氮-2-硼杂苯和1,3-二氮-2,4-二硼杂苯的电子密度集中在一个区域，而1,4-二氮-2,5-二硼杂苯的电子密度呈带状分布，正电势被负电势从中间隔断。

目录

第一章 绪论

1.1背景

1.2发展现状

1.3研究目的与意义

1.4内容概要

第二章 理论基础

2.1量子化学理论

2.2 Hartree-Fock-Roothaan从头算方法

2.3微扰理论

2.4耦合簇理论

2.5 密度泛函理论

2.6基函数

2.7计算过程

第三章 筛选色散校正密度泛函方法

3.1 CCSD(T)/CBS基准值

3.2色散校正密度泛函方法

第四章 苯掺杂硼、氮的几何结构、电子性质的变化

4.1几何构型

4.2静电势

4.3本章小结

第五章 结论

参考文献

附录

致谢

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