内包金属富勒烯和金属碳笼的DFT计算

摘要

1985年C60的发现引起了人们的广泛关注，近二十年来，以C60为代表的富勒烯家族及其衍生物的结构、特性以及可能的应用得到了充分的研究。理论计算和实验分析表明，内包金属富勒烯具有特殊的电子特性和化学反应特性，它许多优异的物理和化学性质预示着它在新材料、催化、医药方面广阔的应用前景。 金属碳笼(Metallo-Carbohedrenes)是继C60之后发现的又一个“明星团簇”。由过渡金属原子与碳原子构成的一系列金属碳笼，由于其特殊稳定性和笼状结构受到了人们的关注。这类团簇的生长机制和物理特性目前仍是研究热点之一。 本文利用密度泛函理论，采用BLYP交换关联函数和DNP基组，对内包金属富勒烯Ni@Cn(n=20,36,60)以及典型的金属碳笼(Ti8C12)进行了全电子、自旋极化的计算。对其可能的低能态结构进行了广泛的搜索，并分析了它们的电子结构和磁矩。计算结果表明： 1.Ni原子的包入引起了C20、C36和C60不同程度的畸变和膨胀。Ni@C20中有两个C-C键发生了断裂，形成了三个新的Ni-C键；Ni@C36和Ni@C60则保持了完整的笼状结构。 2.对Ni@Cn(n=20,36,60)的Mfilliken电荷分析表明，发生了由Ni原子向碳笼的电荷转移，并且电荷转移的数量随碳原子数的增多而增大；在Ni@C20和Ni@C36中，Ni原子和C原子具有小的自旋磁矩，而Ni@C60中Ni原子和C原子的自旋磁矩都为零。 3.Ni原子的加入使得C20、C36和C60的HOMO-LUMO Gap变窄。 4.Ti8C12的稳态结构为C3v，结构；对Ti8C12同分异构体的电子结构分析表明，碳原子之间的化学键对TisCl2团簇的稳定性起着重要作用：TisCl2的电子轨道不具有明显的SP和sp2杂化特征；用第Ⅳ族元素Si代替C以后，得到与TisC12类似的稳定TisSil2结构，Ti8C12中C-C键的特性尚有待于进一步的探讨。 5.TisCl2的Th、C3v*和C3v三种同分异构体均具有2μB的总自旋磁矩，D2d结构的总自旋磁矩为零。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1富勒烯的发现及其进展

1.2内包金属富勒烯

1.3金属碳笼(Metallo-Carbohedrenes)

2内包金属富勒烯及金属碳笼的研究进展

2.1内包金属富勒烯的研究进展

2.2金属碳笼的研究进展

2.3论文选题和主要研究内容

3密度泛函理论概要

3.1密度泛函理论

3.2单电子近似

3.3总能计算

3.3.1自旋限制和自旋极化

3.3.2交换关联能的近似

3.3.3总能

3.4 DMol3量子化学软件简介与本文计算框架

3.4.1 DMol3量子化学软件简介

3.4.2本文计算框架

4 NiCn(n=20，36，60)的几何结构与电子特性

4.1 Cn(n=20,36,60)的几何结构

4.2 NiCn(n=20,36,60)的几何结构

4.2.1 NiC20的几何结构

4.2.2 NiC36的几何结构

4.2.3 NiC60的几何结构

4.3 NiCn(n=20,36,60)的电子结构

4.4 NiCn(n=20，36，60)的磁矩

4.5本章小节

5 Ti8C12的几何结构、电子结构和磁矩

5.1 Ti8C12的几何结构

5.2 Ti8C12的电子轨道及分析

5.3 Ti8C12的磁矩

5.4 Ti8C12中Si的替代效应

5.5本章小节

6结论

参考文献

致谢