几种有机小分子在金刚石（001）-2×1重构表面化学吸附的理论研究

摘要

金刚石是一种集多种优良性能于一体的功能材料，它具有极其优异的机械性能、电学性能、热学性能和光学性能，具有十分广泛的用途。表面化学修饰和功能化可以为金刚石表面引入新的物理和化学特性，使金刚石具有特殊的潜在用途，因此金刚石表面的功能化研究是近年来的一个研究热点。本文的核心工作就是理论上研究了几种有机小分子与金刚石(001)-2×1重构表面的反应机理。 首先，我们应用密度泛函理论(B3LYP/6-31G<'*>)和有效的团簇模型(C<,15>H<,16>和C<,23>H<,24>)研究了丙烯腈在金刚石(001)-2×1重构表面的吸附机理。研究表明该吸附过程是一个复杂的反应过程，反应过程中不仅包含了丙烯腈与单个的二聚体的反应，而且还包含了与同一列中以及相邻两列中两个相邻的二聚体的反应。计算揭示了8条可能的反应通道，优化得到了所有产物的几何结构，包括intra-和inter-反应通道的产物。并从能量、几何结构和活化能垒等角度对结果进行了分析。计算表明丙烯腈主要通过无极性的乙烯基与金刚石(001)-2×1表面反应，四元环的intradimer[2+2]产物是主要的表面产物，所有这些结果都与Schwartz等人的实验观测结果相一致。值得注意的是，[2+2]<,cc> inter产物和[4+2] intra产物均可以异构化为主要产物。 其次，我们利用密度泛函理论(B3LYP/6-31G<'*>)和有效的团簇模型(C<,21>H<,20>)研究了1,3-环已二烯与金刚石(001)-2×1重构表面反应，优化得到了所有产物的几何结构，包括intra-和inter-反应通道的产物。并从能量、几何结构和活化能垒等角度对结果进行了分析。计算表明[4+2]intra产物比其他产物更加稳定，而且[4+2]intra反应通道的活化能垒比其他反应通道的活化能垒低，因此[4+2]intra产物为主要的表面产物。

目录

文摘

英文文摘

声明

引言

第一章绪论

§1.1金刚石的结构和性质

1.1.1金刚石的晶体结构

1.1.2金刚石的基本性质

§1.2人工合成金刚石的发展现状

§1.3金刚石表面性质的研究进展及(001)表面简介

1.3.1金刚石表面性质的研究进展

1.3.2金刚石(001)表面简介

§1.4本文的主要研究内容

第二章理论计算方法简介

§2.1计算方法概述

2.1.1多粒子体系的薛定谔方程

2.1.2量子化学中的三个近似

§2.2半经验方法和ab initio计算方法

2.2.1量子化学中的半经验方法

2.2.2 Ab initio方法

§2.3密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT)

§2.4过渡态理论

2.4.1化学反应中驻点的数学模型

2.4.2过渡态的构型优化方法

§2.5内禀反应坐标理论(Intrinsic Reaction Coordinate，IRC)

第三章丙烯腈在金刚石(001)-2×1重构表面化学吸附的密度泛函理论研究

§3.1理论计算方法和模型

§3.2计算结果与讨论

3.2.1[2+2]cc intra反应通道

3.2.2[2+2]cc inter反应通道

3.2.3[4+2]intra反应通道

3.2.4[4+2]inter反应通道

3.2.4[2+2]CN反应通道

3.2.5 Cross-row反应通道

3.2.6反应物轨道分析

§3.3本章小结

第四章1，3-环已二烯在金刚石(001)-2×1重构表面化学吸附的密度泛函理论研究

§4.1理论计算方法和模型

§4.2计算结果与讨论

4.2.1[2+2]intra反应通道

4.2.2[2+2]inter反应通道

4.2.3[4+2]intra反应通道

4.2.4[4+2]inter反应通道

§4.3本章小结

第五章总结和展望

§5.1工作总结

§5.2展望

致谢

参考文献

附录

在读硕士学位期间公开发表的论文