Matlab编程的Hückel分子轨道法计算研究掺杂纳米碳管的化学反应性（英文）

使用Matlab自编简单Hückel分子轨道法(SHMO)计算程序,分析空位、Stone-Wales缺陷位、N和B原子掺杂的CNT(5,5)碳纳米管,计算π电子密度和前线分子轨道(HOMO和LUMO)为研究掺杂相对碳纳米管的化学反应性提供依据.具有不同电特性的掺杂相打破了碳纳米管的π电子、HOMO和LUMO的均衡分布.掺杂相和/或邻近的碳原子为HOMO或LUMO贡献了较其它原子更大的轨道系数,在不同的化学反应中表现出良好的亲核性或亲电性.此外,HOMO-LUMO能量差很好地反映了掺杂纳米碳管的导电性.计算结果与已报道的实验和理论结果吻合良好.     

碳掺杂硼氮纳米管电子场发射的第一性原理研究

对闭口硼氮纳米管（BNNT）顶层掺碳体系,运用第一性原理研究了电子场发射性能.结果表明,掺碳的BNNT体系电子结构变化显著;外电场愈强,体系态密度向低能端移动幅度愈大,且最高占据分子轨道（HOMO）/最低未占据分子轨道（LUMO）能隙愈小.体系态密度和局域态密度,HOMO和LUMO及其能隙分析一致表明,各种碳掺杂体系中C_eqBNNT的场发射性能最佳. 关键词： 硼氮纳米管 碳掺杂 第一性原理     

[C2MIM]+在碳纳米管中结构和性质的理论研究

采用密度泛函理论方法,系统研究了1-乙基-3-甲基咪唑离子 ( [C2MIM]+ ) 在三种不同管径的碳纳米管中的稳定结构、相互作用能和分子轨道性质. 研究表明,随着碳纳米管管径的增加,[C2MIM]+在碳纳米管内的稳定结构从居中的位置越发靠近碳纳米管的管壁,其与碳纳米管的结合能也从-45.52 kcal/mol降低到-39.45 kcal/mol. 通过分析[C2MIM]+在不同尺寸碳纳米管中的分子轨道排布,发现研究体系的HOMO轨道和LUMO轨道主要是局域在碳纳米管上,电子跃迁表现为π→π*,表明[C2MIM]+与碳纳米管之间为弱的范德华作用. 本研究为理解离子液体与碳纳米管之间的相互作用提供了重要的理论基础.     

碳掺杂闭口硼氮纳米管场发射第一性原理研究

运用第一性原理研究了闭口硼氮纳米管（BNNT）顶层掺碳体系（C@BNNT）的电子场发射性能.结果表明：随外电场增强,C@BNNT电子结构变化显著,态密度（DOS）向低能方向移动;碳原子的局域态密度（LDOS）在费米能级附近明显增大;赝能隙、最高占据分子轨道（HOMO）/最低未占据分子轨道（LUMO）能隙减小;体系电荷移向帽端.DOS,HOMO/LUMO及Mulliken电荷分析一致表明,与BNNT相比,C@BNNT电子场发射性能显著改善,且C@BN_moreNT性能更优. 关键词： 碳掺杂 硼氮纳米管 电子场发射 第一性原理     

N-M(Cd,Mg)共掺闭口氧化锌纳米管场发射第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法, 分别研究了N掺杂和N-M(Cd, Mg)共掺(9, 0)型闭口氧化锌纳米管(ZnONT)的几何结构和场发射性能.结果表明: N原子能够提高体系帽端结构的稳定性; 随外加电场增强, 体系的态密度向低能方向移动, 最高占据分子轨道(HOMO)-最低未占据分子轨道(LUMO)能隙及有效功函数变小, 电荷向帽端聚集程度愈高. 体系态密度/局域态密度, HOMO/LUMO, 能隙及Mulliken电荷分析一致表明, N-Cd共掺可提高ZnONT的场发射性能, N-Mg共掺反而抑制其电子发射. 关键词： 第一性原理 ZnO纳米管 场发射 共掺杂     

氮掺杂及水分子吸附碳纳米管电子场发射第一性原理研究

对闭口碳纳米管(CNT)顶端分层掺氮及吸附不同数目水分子体系,运用第一性原理研究了有电场存在时的电子场发射性能.结果表明：掺氮并吸附水分子的CNT结构稳定;外电场愈强、水分子数愈多,体系态密度(DOS)向低能端移动幅度愈大且最高分子占据轨道(HOMO)/最低分子空轨道(LUMO)能隙愈小.吸附能,DOS/LDOS,HOMO/LUMO及其能隙分析一致表明,第三层氮掺杂CNT吸附不同数目水分子体系的场发射性能最佳. 关键词： 氮掺杂 水吸附 密度泛函理论 电子场发射     

红景天苷分子结构与光谱的密度泛函理论分析

随着科学技术不断发展，中药质量控制和质量评价出现了越来越多的新技术。在中药标准化过程中，现代药学研究已经取得了许多令人瞩目的成果，检测方法和技术取得了很大的进展，由过去单一指标检测发展到多指标检测，但由于中草药成分复杂，作用机制不明等因素制约了中药的发展。红景天是一种少数民族药，是中医药发展不可或缺的组成部分。红景天苷是红景天中的主要有效成分之一，其提取、分离和纯化等方法报道甚多，但其分子键长键角二面角、前线轨道分布、表面静电势等分子参数却鲜有报道，这些都是决定其化学性质和反应机理的重要因素。采用Gaussian09W化学计算软件的密度泛函理论DFT/B3LYP方法和6-31(d)基组优化红景天苷分子，得到其稳定结构的键长、键角和二面角参数。在此稳定构型的基础上，计算其表面静电势（ESP）、最低空轨道（LUMO）、最高占据轨道（HOMO）、红外光谱（IR）和核磁共振波谱数据（NMR）。分别对IR和NMR峰位置进行了归属并与文献报道数据进行了对比，结果表明：计算结果的红外吸收频率没有出现虚频说明该优化结果是合理可靠的，最高占据轨道能量E=-5.82 eV，最低空轨道能量E=-0.000 42 eV，二者差值为5.81 eV。通过绘制了轨道的电子云分布图可以看出HOMO轨道主要分布于苯环，为π电子的成键轨道有一个节面；LUMO轨道也主要分布在苯环上，为π电子的反键轨道有两个节面。表面静电势的绘制可以直观地反映出分子中哪部分易发生亲核取代、哪部分易发生亲电取代反应。通过绘制第一激发态和基态电子差值，可以直观地得到电子的迁移方向。对红景天苷分子计算理论研究可以为进一步探索其化学反应机理、结构修饰和活性位点的确认等提供重要的参考依据和新思路。     

2-巯基-5-硝基苯并咪唑振动光谱的密度泛函理论研究

选用密度泛函理论中的B3LYP杂化泛函,在B3LYP/6-31++g(d,p)（C,H,N,S）水平下,优化了2-巯基-5-硝基苯并咪唑分子（MNBMZ）的结构,优化结果表明,2-巯基-5-硝基苯并咪唑分子是一个近平面结构。通过频率计算,获得了2-巯基-5-硝基苯并咪唑分子（MNBMZ）的拉曼光谱,并和实验获得的拉曼光谱图进行了对比,200～800 cm-1波数段实验获得的拉曼谱带波数和理论计算波数相比,有一定程度的蓝移,800～1 800 cm-1波数段实验获得的拉曼谱带波数和理论计算波数相比,发生了一定的红移。对实验和理论计算光谱主要振动峰进行线性回归拟合,相关系数r=0.998,标准偏差14.98。实验和理论计算获得的拉曼光谱图基本上是一致的,表明本文选取的DFT理论计算方法是可靠的。结合VEDA4软件对2-巯基-5-硝基苯并咪唑分子的拉曼谱带简正振动模式进行了指认。此外,分析并讨论了2-巯基-5-硝基苯并咪唑分子（MNBMZ）前线轨道及HOMO,LUMO轨道的组成,HOMO和LUMO轨道能级差为3.31 eV,电子有从HOMO跃迁到LUMO的趋势。HOMO轨道中S原子的贡献是52.53%,LUMO轨道中硝基N和O原子的贡献分别为23.03%,19.97%和19.36%。采用含时密度泛函理论（time dependent density functional theory,TDDFT）对2-巯基-5-硝基苯并咪唑分子（MNBMZ）的激发态进行了计算分析,计算结果表明甲醇溶剂中2-巯基-5-硝基苯并咪唑分子（MNBMZ）理论计算的吸收波长为213,281和437 nm;实验获得的吸收波长223,272和353 nm。对研究2-巯基-5-硝基苯并咪唑分子的性质,提供了理论基础。     

有机半导体的物理掺杂理论

基于最低未被占据分子轨道（LUMO）和最高被占据分子轨道（HOMO）的高斯态密度分布与载流子在允许量子态中的费米-狄拉克（Fermi-Dirac）分布,提出有机半导体中物理掺杂的理论模型;研究了掺杂浓度、温度和禁带宽度对载流子浓度的影响,并与一些报道的实验结果做了比较.研究发现无论是否掺杂,温度升高时,有机半导体中的载流子浓度都会增大,并且随温度倒数的线性减小而指数增大;对于本征有机半导体,载流子浓度随禁带宽度的增大而指数下降,随高斯分布宽度的平方指数增加;对杂质和主体不同能级关系的掺杂情形下掺杂浓度对载 关键词： 有机半导体 掺杂 高斯态密度 载流子浓度     

硼磷掺杂小直径单壁碳纳米管的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了小直径锯齿形单壁碳纳米管（3,0）的硼（B）、磷（P）单个原子掺杂和B/P共掺杂效应. 计算了B、P单原子掺杂的形成能、能带结构和电子态密度,分析得出B、P掺杂（3,0）单壁碳纳米管是可行的,并且碳纳米管的导电性没有发生明显改变. 本文还计算了在不同掺杂位点,（3,0）金属性碳纳米管的形成能和能带结构,发现B/P共掺杂也是可行的,B和P趋于形成B/P对,并且B/P的掺入使（3,0）金属性碳纳米管的能带打开,由金属性变成半导体性.     

Structural and electronic properties of endohedral doped SWCNTs: A DFT study

The structural and electronic properties of semiconductors (Si and Ge) and metal (Au and Tl) atoms doped armchair (n, n) and zigzag (n, 0); n=4–6, single wall carbon nanotubes (SWCNTs) have been studied using an ab-initio method. We have considered a linear chain of dopant atoms inside CNTs of different diameters but of same length. We have studied variation of B.E./atom, ionization potential, electron affinity and HOMO–LUMO gap of doped armchair and zigzag CNTs with diameter and dopant type. For armchair undoped CNTs, the B.E./atom increases with the increase in diameter of the tubes. For Si, Ge and Tl doped CNTs, B.E./atom is maximum for (6, 6) CNT whereas for Au doped CNTs, it is maximum for (5, 5) CNTs. For pure CNTs, IP decreases slightly with increasing diameter whereas EA increases with diameter. The study of HOMO–LUMO gap shows that on doping metallic character of the armchair CNTs increases whereas for zigzag CNTs semiconducting character increases. In case of zigzag tubes only Si doped (5, 0), (6, 0) and Ge doped (6, 0) CNTs are stable. The IP and EA for doped zigzag CNTs remain almost independent of tube diameter and dopant type whereas for doped armchair CNTs, maximum IP and EA are observed for (5, 5) tube for all dopants.     

Different Charging-Induced Modulations of Highest Occupied Molecular Orbital Energies in Fullerenes in Comparison with Carbon Nanotubes and Graphene Sheets

The highest occupied molecular orbital(HOMO) energies of fullerenes are found by quantitative first-principles calculations to be raised by negative charging, and the rising rate rank of the fullerenes is C_(60) C_(70) C_(80) C_(90)C_(100) C_(180). Then we compare fullerenes with carbon nanotubes(CNTs) and graphene sheets(GSs) and find that the increase of the HOMO energy of a fullerene is much faster than that of CNTs and graphene sheets with the same number of C atoms. The rising rate rank is fullereneCNTGS, which holds no matter what the number of C atoms is or which structure the fullerene isomer is. This work paves a new path for developing all-carbon devices with low-dimensional carbon nanomaterials as different functional elements.     

Density functional investigation on the structures and properties of Li atom doped Au20 cluster

Structures and properties of an Au₂₀ cluster doped with two Li atoms, Au₁₈Li₂, have been investigated using relativistic density functional theory within the framework of the zeroth-order regular approximation. Various initial structures have been generated and employed for geometry optimization followed by vibration analysis to check the stability of the final optimized structures. We have calculated various properties like binding energy, ionization potential, electron affinity and the HOMO–LUMO gap of these structures. It has been found that two dopant Li atoms favour occupying two different surface positions of the pyramidal Au₂₀ cluster. The binding energy of the surface-doped Au₁₈Li₂ cluster is 1.017?eV higher than that of the pure Au₂₀ cluster and the HOMO–LUMO gap (1.742?eV) is as high as a pure Au₂₀ cluster (1.786?eV). Interestingly, we observe that the HOMO–LUMO gap as well as the binding energy can be increased beyond those of the Au₁₈Li₂ cluster with the help of further Li atom doping. In fact, a doped tetrahedral Au₁₆Li₄ cluster, where all the dopants are at the surface sites, possesses a very high HOMO–LUMO gap of 2.117?eV. Geometric and energetic parameters indicate that the Au₁₆Li₄ cluster might be considered as a possible ‘superatom’ in the design of novel cluster-assembled materials.     

Electrical Conductivity in Polyazomethines: A Novel Mechanism Derived from All Valence MO Calculation and IR Study of Polymer–Dopant Interaction

A simple mechanism is proposed to explain the variation of electrical conductivity in polyazomethines. The results of semiempirical, all valence, molecular orbital calculations obtained from the PM3 method have been employed to arrive at the mechanism. The difference of energy (ΔE) between highest occupied molecular orbital (HOMO) and lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) alone could not explain the variation in electrical conductivity; however, ΔE together with the LUMO electron density at the atoms that lie on the continuous chain could account for the electrical conductivity in these polymers. The LUMO electron density on these centers may be visualized as the carrier movement. In certain polymers there are intrinsic holes in HOMO. The movement of these intrinsic holes also adds to the electrical conduction. The polyazomethines are prepared by the condensation of diamines with azo bis-aldehydes. A few of these polymers were doped with silver nanoparticles. Many of the doped polymers showed substantial enhancement in conductivity. Strong polymer–dopant interaction, identified by IR spectroscopy, is proposed to be responsible for the increase in conductivity.     

第一性原理研究掺杂及未掺杂(TiO2)3团簇的电子性质

为了研究金属掺杂团簇时带隙的变化趋势，本文用Cr, Mo, V, Nb四种元素掺杂 (TiO2)3团簇，并用密度泛函理论下的广义梯度近似（GGA）方法计算。不同掺杂位置的结果表明最好的掺杂位置是3-配位的钛位置。所有掺杂后(TiO2)3团簇的HOMO-LUMO带隙都要比未掺杂时要小，对应高能区态密度峰值左移0.1eV；HOMO的电子云分布主要占据了氧原子的位置，当掺杂团簇被激发时，电子从末端氧原子位置跃迁到掺杂原子。此外，我们进一步的计算表明Cr和Mo是降低(TiO2)3团簇带隙较好的掺杂元素。为了进一步的研究掺杂(TiO2)3团簇的性质以及它在光催化，清洁能源等方面的应用，还需要我们进行实验和理论相结合的研究。     

第一性原理研究掺杂及未掺杂(TiO2)3团簇的电子性质

为了研究金属掺杂团簇时带隙的变化趋势,本文用Cr, Mo, V, Nb四种元素掺杂 (TiO2)3团簇,并用密度泛函理论下的广义梯度近似（GGA）方法计算。不同掺杂位置的结果表明最好的掺杂位置是3-配位的钛位置。所有掺杂后(TiO2)3团簇的HOMO-LUMO带隙都要比未掺杂时要小,对应高能区态密度峰值左移0.1eV;HOMO的电子云分布主要占据了氧原子的位置,当掺杂团簇被激发时,电子从末端氧原子位置跃迁到掺杂原子。此外,我们进一步的计算表明Cr和Mo是降低(TiO2)3团簇带隙较好的掺杂元素。为了进一步的研究掺杂(TiO2)3团簇的性质以及它在光催化,清洁能源等方面的应用,还需要我们进行实验和理论相结合的研究。     

浓硝酸处理前后多壁碳纳米管的荧光特性研究

对浓硝酸处理前后多壁碳纳米管的荧光特性进行了研究,结果发现多壁碳纳米管在浓硝酸处理前后都能产生荧光;与浓硝酸处理前相比,浓硝酸处理后的多壁碳纳米管的荧光有所增强,且荧光谱峰向短波长方向发生蓝移。碳纳米管产生的荧光与碳纳米管在其缺陷处捕获激发光的能量以及最低空轨道和最高占有轨道之间的能隙有关。多壁碳纳米管在浓硝酸处理前后都有缺陷,因而都能在其缺陷处捕获激发光能量而产生荧光;浓硝酸处理引起多壁碳纳米管的缺陷增多、捕获激发光能量增加因而荧光也随之增强。碳纳米管的最低空轨道和最高占有轨道之间的能隙随其长度减小而增大,浓硝酸处理引起多壁碳纳米管被削短导致其最低空轨道和最高占有轨道之间的能隙增大,因而引起多壁碳纳米管的荧光谱峰向短波方向蓝移。     

Electronic properties of a silicon carbide nanotube under uniaxial tensile strain: a density function theory study

The electronic properties of an armchair (4,4) single-walled silicon carbide nanotube (SWSiCNT) with the length and diameter of 22.4 and 6.93 Å, respectively under different tensile strains are investigated by density functional theory (DFT) calculation. The change of highest occupied molecular orbital and lowest unoccupied molecular orbital (HOMO–LUMO) gap of the nanotube has been observed during the elongation process. Our results show that the gap will significantly decrease linearly with the increase of axial strain. Two different slopes are found before and after an 11% strain in the profiles of the HOMO–LUMO gap. The radial buckling has been performed to investigate the radial geometry of nanotube. The partial density of states (PDOS) of two neighboring Si and C atoms of the nanotube are further studied to demonstrate the strain effect on the electronic structure of SiC nanotube. The PDOS results exhibit that the occupied states of Si atom and the unoccupied states of C atom are red-shifted and blue-shifted under stretching, respectively. Mulliken charge analysis reveals that Si and C atoms will become less ionic under the larger strain. The electron differences of silicon carbide nanotube (SiCNT) on tensile loading are also studied.