一些团簇及表面体系的理论计算和模拟

摘要

分子之间的最强作用力是C-H…F氢键。STM图像上的明暗交错链状结构来源于FTBC-C4分子在HOPG表面吸附的两种不同取向和氢键网络。在FTBC-C4结构确认的基础上，我们提出了FTBC-Cn(n=6，8，12)的结构模型，并定性地解释了链长对实验结构以及STM图像的影响。在第二项研究中，我们采用分子力学方法研究了溴代烷烃链的奇偶效应。
　　 在高温模拟中，我们找到了一系列具有类似结构的B80低能团簇。通过比较不同团簇之间的各项性质，我们发现可以通过红外光谱把高对称性的B80和B12为核的结构区分开来。
　　 第三，四章我们把目光转移到铟/硅(111)表面。在第三章，我们主要关注铟/硅(111)-√31×√31的重构表面结构。铟/硅(111)-√31×√31重构表面在STM图像上非常类似于硅洁净表面(7×7)的DAS(dimer-adatom-stackingfault)重构图像，实验上曾给出两种√31×√31五重构的模型，但是都缺乏理论计算支持。在本章中，我们基于Lee组最新的实验，考虑了3种不同的√31×√31重构结构，包括DAS的完整层结构和T4、H3两种半层结构。在这些结构中，DAS模型的模拟STM图像和实验差别比较大，因此不是铟/硅(111)-√31×√31的真实结构。T4，H3结构的模拟STM图像和实验结果吻合比较好，但是从局域电子态上不能分辨这两种结构。从能量上来看，T4结构对比H3结构稍微有一些优势，通过不同偏压下图像比较，以及分态密度和STS谱的对比，我们进一步确认了T4结构为√31×√31的实验观测结构。
　　 在第四章中,我们对铟/硅(111)-√7×√3的结构进行了系统研究。实验上发现√7×√3有四方和六方两个不同的相，具有不同的铟原子覆盖度和STM图像。最近发现四方相具有二维超导性质，促使我们进一步去研究这个表面的重构结构和表面电子性质。我们从表面能，功函数，模拟STM图像，能带计算出发，对√7×√3的两种不同覆盖度的表面做了系统的理论研究。我们一共考虑了六种不同的结构，通过模拟的STM图象和实验的对比，发现对于两个表面，都是基于T1位置的结构和实验吻合的比较好。从能量上看，T1表面并不占优势。我们认为在硅铟体系的表面重构中，动力学因素起着比较大的作用。通过结构和模拟STM图像的变化，我们发现在两种√7×√3表面结构中，都存在一条基于硅(111)表面T1原子为垄的锯齿形(zigzag)铟链。这条铟链具有非常高的稳定性，对于六方结构相变过程的研究以及四方结构的各向异性的二维金属性质都有着非常重要的作用。
　　 第五章我们研究了HOPG表面的有机分子自组装现象。第一项研究是理论上对实验发现的FTBC-Cn(n=4，6，8，12)分子在高裂解石墨表面的自组装结构进行解释。在结构探索中，我们采用分子力学做初步优化，结合第一性原理做进一步优化，根据模拟的STM图像的来表征和调整结构。通过这样的循环操作最终得到符合实验STM图像的FTBC-C4结构。这个结构具有二维碗状阵列结构，分子之间的最强作用力是C-H…F氢键。STM图像上的明暗交错链状结构来源于FTBC-C4分子在HOPG表面吸附的两种不同取向和氢键网络。在FTBC-C4结构确认的基础上，我们提出了FTBC-Cn(n=6，8，12)的结构模型，并定性地解释了链长对实验结构以及STM图像的影响。在第二项研究中，我们采用分子力学方法研究了溴代烷烃链的奇偶效应。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1.1 模拟方法简要

1.2 分子力学方法

1.3 HF方法以及post-HF方法

1.4 密度泛函理论简介

1.4.1 Thomas-Fermi-Dirac近似

1.4.2 Hohenberg-Kohn理论

1.4.3 Kohn-Sham方程:有效单电子近似

1.4.4 交换相关能量泛函

1.5 团簇及表面相关性质的研究方法

1.5.1 团簇及性质的计算

1.5.2 表面相关性质模拟

1.6 计算软件包介绍

第2章 大尺度硼团簇的理论研究

2.1 硼团簇研究的研究背景

2.2 B84团簇的结构研究

2.2.1 研究动机

2.2.2 研究方法

2.2.3 B84 inner/outer结构及其稳定性

2.2.4 B84无定形结构

2.2.5 结合能和自由能

2.2.6 红外光谱

2.2.7 ADF,RDF

2.2.8 HOMO-LUMO能隙,电离能,电子亲和能

2.2.9 小结

2.3 B80团簇

2.3.1 B80的背景研究

2.3.2 B80的优化算法

2.3.3 B80团簇的结构及其稳定性

2.3.4 B80的光谱,电离能,电子亲和能,HOMO-LUMO

2.3.5 小结

第3章 铟/硅(111)-(X)31×(X)31重构表面的理论研究

3.1 硅铟表面的研究进展

3.2 表面的制备和实验观测结果

3.3 计算方法和细节

3.4 DAS原子模型及其STM模拟图像

3.5 T4/H3原子模型和STM模拟图像

3.6 小结

第4章 铟/硅(111)-(X)7×(X)3重构表面的理论研究

4.1 研究背景

4.2 计算细节

4.3 表面原子结构

4.4 STM图像模拟

4.5 能量和功函数

4.6 表面态计算

4.7 小结

第5章 HOPG表面自组装的理论研究

5.1 HOPG表面自组装的背景介绍

5.1.1 表面自组装的实验研究

5.1.2 表面自组装的理论研究

5.2 FTBC-Cn在HOPG表面自组装

5.2.1 研究背景

5.2.2 实验结果

5.2.3 理论模拟方法

5.2.4 单分子的性质计算

5.2.5 单个FTBC-C4在HOPG表面的吸附

5.2.6 FTBC-C4在HOPG表面自组装

5.2.7 FTBC-Cn(n=6,8,12)的自组装结构

5.2.8 小结

5.3 溴代烷烃链分子在HOPG表面自组装的奇偶效应

5.3.1 背景介绍

5.3.2 实验结果

5.3.3 经典力学方法的结果

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果