磷团簇及磷掺杂碱土金属Be、Mg、Ca密度泛函理论研究

摘要

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理量子化学方法研究了纯磷团簇及碱土金属Be、Mg、Ca掺杂磷团簇的几何结构、电子性质和光学性质。主要内容如下： 首先我们我们简要介绍了团簇科学的发展、研究内容、基本概念及研究团簇的意义，对近年来人们研究团簇的主要方法和成果进行总结。接着就本文所关心的二价金属团簇和磷团簇的研究问题和发展趋势作一介绍，并对研究对象的科学意义进行了总结和探讨。在此基础上，我们对密度泛函理论的基本知识和Gaussian03等软件进行了介绍。 其次运用第一性原理在B3LYP\6-311G水平上全面系统的计算了纯磷团簇P<,n>(n=1-12)可能几何构型，得到了这些团簇的最低能量结构，与文献给出的部分数据进行了分析，然后以碱土金属Mg为例，着重研究碱土金属掺杂磷团簇几何结构和电子性质，计算情况如下：运用密度泛函理论在B3LYP\6-311G水平上对Mg<,n>P<,m>(n-1-2，m=1-8)团簇的几何构型，稳定性以及电子性质进行了较详细的计算研究。研究发现，n+m≥4时，团簇易形成五元环和四元环型结构。对最低能量结构的二阶能量差分和能隙进行计算表明MgP<,4>，MgP<,6>，Mg<,2>P<,2>以及Mg<,2>P<,4>具有较高的相对稳定性。在对自然电子组态和电荷布居的进一步分析发现，P原子获得电荷的多少取决于P，Mg原子之间的距离的大小。 最后我们采用第一性原理在B3YYP\6-311G水平上对M<,n>P<,m>(n=1～2，m=1～10)(M=Be、Mg、Ca)团簇进行几何构型优化和频率分析，得到团簇各个尺寸的基态结构，结果表明，在m+n=5～6时锥体结构居多，相应的稳定性要高于同尺寸其他构型，m+n>6时，基态结构中出现四元环和五元环。裂化能和二阶能量差分计算结果表明，MP<,m>(m=1～10)团簇在m=2时同时获得局域的最大值，Be<,2>P<,m>(m=1～10)团簇幻数结构呈现规则的奇偶振荡。Be掺杂P团簇稳定性高于同尺寸的Mg、Ca掺杂，与Mg、Ca相比Be原子更易于与P原子结合。稳定结构团簇红外和拉曼光谱显示，高频段MP<,2>团簇红外和拉曼活性较强，Mg<,2>P<,2>，Ca<,2>P<,2>团簇红外谱主峰在高频段出现，与拉曼活性谱主峰相反。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1团簇科学研究发展历程

1.2团簇的产生、性质、研究意义和方向

1.3团簇理论研究思路

1.4团簇的几个基本概念

1.4.1幻数和分类

1.4.2电子壳层结构

1.4.3凝胶模型

1.4.4拉曼光谱和红外光谱

1.5本文研究团簇的相关内容

参考文献

第2章密度泛函理论和计算软件

2.1密度泛函理论(Density Function Theory)

2.1.1早期模型Thomas-Fermi模型

2.1.2 Hohenberg-Kohn(H-K)定理

2.1.3局域密度近似(LDA)

2.1.4广义梯度近似(GGA)

2.2离散变分法基本原理介绍

2.2.1解Kohn-Sham方程

2.2.2势函数

2.2.3基组

2.3电荷布局和电荷分析

2.3.1自然键轨道分析

2.3.2密里根电荷分析

2.4软件介绍

2.4.1 Hyperchem7.0分子图形软件

2.4.2 Gaussian软件介绍

2.5本文研究方法

参考文献

第3章纯磷和磷掺杂镁团簇第一性原理研究

3.1纯磷团簇研究

3.1.1 Pn(n=1-12)中性团簇

3.2 MgnPm团簇几何结构，电子性质和稳定性的密度泛函研究

3.2.1引言

3.2.2计算方法

3.2.3结果与讨论

3.2.4结论

参考文献

第4章碱土金属掺杂磷团簇结构演变规律与光谱性质研究

4.1引言

4.2计算方法

4.3计算结果讨论

4.3.1基态结构演变

4.3.2稳定性

4.3.3红外和拉曼光谱

4.4结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢