衬底调制下的硼墨烯、硅烯、锗烯等单元素二维材料的原子与电子结构

石墨烯的发现带来了一场二维材料研究的风暴。直到今天,在石墨烯之外,实验学家又成功地在金属衬底上合成出了硅烯、锗烯和硼墨烯等具有奇特物理化学性质的二维材料。然而,人们发现由于衬底与材料的相互作用,这些衬底上的二维材料不论是原子结构还是电子结构都与理论预测的悬浮状态的二维材料相距甚远。因此,我们使用第一性原理计算去探索衬底与二维材料之间的作用,并且进一步揭示了衬底调控下的二维材料的原子与电子结构。本文将介绍作者与合作者今年来用第一性原理计算方法研究金属衬底上的硅烯、锗烯和硼墨烯等新型单元素二维材料的结构和性质,并对其未来的发展做出展望。     

硼团簇、硼烷及金属硼化物的研究现状

硼原子因其半径小、缺电子、配位数大、价电子sp²杂化和三中心键等特点引起了科学家的高度关注。其团簇的电子结构、稳定性、芳香性和成键方式等性质的研究成为化学领域的一大热点。由于硼化物多样性的特点,其在光学、能源和储存工业气体方面具有潜在的应用价值。本文简述了近几年全硼团簇、硼烷及金属硼化物的研究现状。其中,分别从中性、阴离子和阳离子三种形式对全硼团簇和硼烷进行概括;金属掺杂硼化物主要包括金属掺杂的纯硼团簇和硼烷、过渡金属掺杂的三明治形式复合物以及金属中心硼分子轮。     

硼纳米结构的理论和实验研究

硼元素,作为第三主族中唯一非金属元素,其原子具有特殊的缺电子性质,因而产生了复杂的键合机制。从硼原子之间的双中心-双电子键到平衡体系电子分布的多中心双电子键,硼因此具有多种同素异形体。低维硼纳米结构材料具有不同于体相的独特结构及特殊性质,相关理论和实验研究已成为近年来的研究热点。本文从理论和实验两个方面,系统介绍了零维硼团簇到一维硼纳米管、硼纳米线及二维硼纳米结构的相关研究,主要针对其结构、性质与潜在应用进行综述。目前,仍需系统化探索其制备及稳定等相关问题,力求揭示其固有属性,以发挥硼基纳米结构材料在未来纳米器件和能源催化方面的重要应用。     

硼烯：从理论模型到探究应用

1995年,德国科学家布斯塔尼通过理论计算提出了硼团簇的构造法则——“Aufbau原则”,为硼烯的理论模型研究奠定了基础。在新的理论和计算方法不断提出的背景下,硼烯的理论模型得到了进一步的完善,2014年,美国布朗大学的王来生正式提出“硼烯”这一概念,至此二维硼烯的概念得到了广泛的确信。2015年,研究者首次报道在Ag(111)衬底上生成二维硼烯薄膜。随后,科学家们通过实验探究发现硼烯在超导材料、电池电极材料、催化剂、储氢等领域有巨大的应用前景。硼烯的发展史揭示了理论和实验交互验证的新型科学发展模式,促进了二维材料发展观的演进。     

展望硼烯的化学合成

<正>二维材料因独特的尺度具备一系列宏观材料所未有的物理和化学性质,相关研究不仅充分展示了材料世界的魅力,而且为制造下一代电子器件提供了重要科学与技术基础。二维材料研究的热点之一是寻找新的具有更独特结构和物性的单原子层材料,以丰富整个二维材料的家族。自发现石墨烯之后,国际上已报道了数百种二维材料,它们展现的晶格结构和物性可谓多姿多彩。然而,令人惊讶的是,像石墨烯这样具有纯平面原子结构且由单一元素组成的二维材料一直未见报道。直到2016年,二维硼单层-硼烯-的出现材料改变了这     

二核铌钼硫簇NbMoS_n~(-/0)(n=3～7)掺杂体系的结构与成键性质的理论研究

近年来,过渡金属硫化物作为催化材料在许多化学反应中扮演着重要角色,特别是在石油化工领域的加氢脱硫与加氢脱氮等环节中被广泛应用.本工作采用密度泛函理论结合高精度的耦合簇[CCSD(T)]计算方法,对掺杂类型的铌钼硫簇NbMoS_n~(-/0)(n=3~7)进行系统研究,确定其最稳定的几何结构,并探讨掺杂、调节硫含量、改变团簇所带电荷等手段,对掺杂类型铌钼硫簇几何构型、电子结构与化学成键等性质的影响.本工作采用广义Koopmans定理计算NbMoS_n~-(n=3~7)阴离子基态的电子垂直逸出能(VDEs),模拟相应的阴离子光电子能谱图(PES),并结合对分子轨道的分析来进一步阐述该体系在几何结构与化学成键等性质上的演变规律.本工作可为进一步开展铌钼硫簇掺杂体系的理论与实验研究提供较为可靠的理论依据.     

硫铝桥键稳定平面CAl_4结构的理论研究

在B3LYP/def2-TZVP水平下,利用硫铝桥连平面CAl_4结构,设计了含平面四配位碳的单硫桥连CAl_4S~-和具有准平面四配位碳的四硫桥连CAl_4S_4结构.团簇搜索结果表明两团簇均为势能面的极小值点,并且两团簇均具有双重芳香性(σ+π).单硫桥连CAl_4S得失电子的稳定性研究结果表明,CAl_4S~-为不同价态下的能量最低点,说明其热力学和动力学稳定性最好,证明其在实验中被捕获的可能性极大.准平面结构CAl_4S_4的适应性自然密度划分(AdNDP)分析表明,其稳定性主要来源于价电子的离域,其中三中心二电子σ键维持Al-S骨架的稳定,五中心二电子σ键维持C-Al核心的稳定,五中心二电子π键有利于整个准平面的整体稳定性.     

(Pt_nMn)~(±,0)(n=1～5)掺杂团簇结构与磁性的密度泛函研究

采用密度泛函理论(Demity Function Theory)中的B3LYP方法,在Lanl2dz赝势基组水平上对(PtnMn)±,0(n=1～5)团簇的几何构型进行了全优化,并对基态的能级以及磁性进行了研究.结果表明:PtMn掺杂团簇的自旋多重度比较高,这种性质跟纯Mn团簇相似.并且发现一般情况下Mn原子参与成键数越多,结构越稳定,在成键数相同的情况下,成键的平均键长越短越稳定;其次(PtnMn)±,0团簇的所有稳定结构都表现为铁磁性耦合;掺杂一个Mn原子后的团簇磁性大大增强,磁矩主要来源于未满的d壳层电子,且Mn原子上的局域磁矩远大于Pt原子.随着Pt原子个数的增加,Mn原子的局域磁矩变化不大,但团簇的总磁矩渐渐增大.     

硼碳团簇BnC2 (n＝1～6)的理论研究

应用密度泛函理论在B3LYP/6-311＋G(d)水平上研究了硼碳团簇B_nC₂ (n＝1～6)的几何结构、生长机制和相对稳定性. 计算结果表明, 对于n＝2～6的簇, 平面多环状构型为最稳定的结构, 其中C原子分布于环的顶点、有尽可能多的三配位硼原子和尽可能多的B—C键. 碳原子作为杂原子倾向掺杂于团簇的顶点位置, 它的掺杂不改变硼团簇的主体结构. 与平面多环状结构相比, 随着簇尺寸的增大, 三维结构和线性链结构更不稳定. 在低能线性结构中, C原子位于链两侧的第二个位置. 计算的碎片分裂能、递增键能以及HOMO-LUMO能隙表明, B₄C₂为幻数簇.     

Sn_nSm(n=1～9)团簇结构稳定性与磁学性质的理论研究

采用Saunders全局优化随机踢球模型与密度泛函理论相结合的方法,在B3LYP/SDD理论水平下研究了锡基原子团簇Sn_n(n=2~10)及锡基稀土原子钐掺杂团簇Sn_nSm(n=1~9)的几何结构、稳定性、电子性质和磁性.结果表明,团簇Sn_nSm(n=1~9)中掺杂的钐原子通常位于主团簇的表面,掺杂团簇的基态结构更倾向于具有较高对称性的三维结构;二元锡基混合团簇的平均结合能变大,稳定性增强,这主要归因于Sn—Sm键比Sn—Sn键的键能大,具有更强的相互作用;掺杂团簇具有较高的磁性,其总磁矩主要源自于钐原子4f电子的贡献;随着团簇尺寸的增加,二元团簇的总磁矩呈现出趋于饱和的现象.     

硼氮[4]螺烯的合成、表征及光物理性质研究

将多环芳烃中的碳碳双键替换成等电子体和等结构体的硼氮键是有效调节多环芳烃光物理性质的手段之一,己成为有机材料领域研究的热点.文献中报道的多是平面型的硼氮芳烃分子,非平面的硼氮芳烃研究相对较少.本工作研究了两个系列非平面的硼氮[4]螺烯分子的合成和性质,通过Suzuki偶联、亲电芳香硼化及亲核取代反应,简洁地合成了目标分子,并通过~1H NMR、~(13)C NMR和11B NMR等表征.单晶结构表明硼氮[4]螺烯具有螺烯的特征螺旋结构.结合理论计算对硼氮[4]螺烯的芳香性进行了定性定量分析,发现硼氮[4]螺烯的硼氮子环具有弱的芳香性.光物理研究表明,硼氮[4]螺烯相对于全碳螺烯,表现出了显著的红移吸收光谱和轻微的蓝移发射光谱,以及较高的荧光量子产率.     

Li和Al掺杂的MgO(001)表面负载W_3O_9团簇的构型与电子结构

采用基于第一性原理的分子动力学和量子力学相结合的方法,对W3O9团簇在经Li和Al原子掺杂的MgO(001)表面的负载构型、稳定性以及体系的电子结构进行了系统研究.结果表明,当掺杂发生在表层时,杂质原子的类型对W3O9团簇的负载构型有显著影响.对于缺电子的Li掺杂,负载后W3O9团簇环状构型并不稳定,转化为链状结构;而Al原子的掺杂则使得MgO(001)表面电子富余,此时W3O9团簇存在平躺和垂直两种吸附方式,二者能量稳定性相近,其中前者存在同时与三个W原子成键的帽氧结构.当掺杂发生在次表层时,两种掺杂体系W3O9的负载构型相似,团簇仍保持环状结构并倾向于采用垂直方式沉积在表面上.与Li掺杂体系相比,富电子的Al掺杂可显著增强W3O9与MgO(001)表面之间的结合能力,负载后有较多电子从表面转移到团簇中特定的W原子上,这将对W3O9团簇的催化性能产生显著影响.     

硅基稀土掺杂团簇MSi_7~q(M=Eu,Sm,Yb;q=0,-1)结构预测与光电子能谱研究

采用随机踢球模型结合密度泛函理论,在PBEPBE/RE/SDD/Si/6-311+G(d)水平下研究了中性和阴性的硅基稀土掺杂团簇MSi_7~q(M=Eu,Sm,Yb;q=0,-1)的几何结构、稳定性及电子和磁学性质.计算结果表明,阴性团簇的基态结构是在五角双锥的双锥侧面外法向方向加入一个Si原子而形成的3D结构,并且稀土原子M处于五角双锥的顶点;中性团簇的最低能结构是一个畸变的双帽八面体,并且M原子处于八面体的赤道面上.SmSi_7~-团簇在这3种稀土掺杂的团簇中具有最高的平均结合能和掺杂能,是这3种稀土掺杂团簇中最稳定的一种.Si_7团簇是非磁性团簇,但是当M原子(M=Eu,Sm,Yb)掺入其中时,由于镧系元素独特的原子磁性,使其变成了磁性团簇.此外,还模拟了各团簇前几种低能异构体的光电子能谱.     

B2Cn+(n=1～9)团簇的结构及其稳定性

采用密度泛函理论(DFT)的B3LYP泛函, 在6-311G*水平上对B2Cn+(n=1～9)团簇的几何构型和电子结构进行了优化和振动频率计算. 结果表明, 在B2Cn+(n=1～9)团簇的基态构型中, B2C2+、B2C3+为具有D∞h对称性的线形结构, B2C7+为具有Cs对称性的立体环状结构, 其余均为平面构型; 其成键顺序为C—C成键优于B—C 成键, B—C成键优于B—B成键. 进一步得到了B2Cn+(n=1～9)团簇的总能量(ET)、零点能(EZ)、摩尔热容(Cp)、标准熵(S0)以及原子化能(ΔEn+). 其结果显示, 随着n的递增, ET、EZ、Cp、S0和ΔEn+数值均呈现增大趋势, 其中EZ数值呈现近似等梯度的增加趋势. 通过对B2Cn+(n=1～9)团簇基态结构的垂直电子亲合势的研究发现, n为奇数的B2Cn+团簇比n为偶数的稳定.     

用密度泛函理论研究纳米级的硼簇Bn（n=13～20）的物理和化学性质

采用密度泛函理论B3LYP与6—311＋＋G方法研究了硼簇Bn（n=13～20）的电子和几何结构、总能量、结合能、谐波频率、点对称性、电荷分布、偶极矩、化学键以及最高分了占据轨道和最低分子占轨道能量差．此外,借助第一和第二能级差确定最稳定的硼簇尺寸．研究表明硼簇几乎所有的物理性质有尺寸依赖性,双环管状结构的B20具有最高平均结合能．内有一原子的二十面体结构的B13不具有稳定构型,这种结构转变为开放式笼状．B20出现二维到三维的结构转变．Mulliken分析表明电荷分布有x-z和y-z平面对称．硼簇的平面稳定性可以通过离域键（π键和σ键）以及多中心键来解释．     

钴硫团簇ConSn+-1(n=2,3)的结构和稳定性

用ab initio分子轨道方法(RHF,UHF)和密度泛函(DFT)方法研究了团簇Co2S+,Co3S2+的各种可能的几何构型和电子结构,并计算了相应的较稳定构型的振动光谱,发现Co2S+和Co3S2+团簇最稳定结构均具有C,对称性.对团簇的成键作用机理进行了理论分析.     

14顶点双取代碳硼烷和金属硼烷极化率和二阶超极化率的DFT研究

采用量子化学密度泛函理论(DFT) B3LYP/6-31G(d)方法对14顶点双取代碳硼烷和金属硼烷几何构型进行优化, 结合有限场(FF)方法计算了各体系的极化率和二阶超极化率. 同时金属硼烷中金属原子采用赝势基组进行计算, 讨论基组对计算结果的影响. 结果表明, 14顶点碳硼烷和金属硼烷中碳和金属元素的成键方式不同, 金属硼烷中各原子间距离比碳硼烷中大, 平面偏移角增大. 金属原子的引入有效增加分子的NLO系数, 同时金属硼烷的前线分子轨道能级差比碳硼烷小很多, 金属硼烷材料有可能表现出半导体甚至导体特性, 金属原子采用不同基组对计算结果影响不大.     

Pd和Hg共掺杂的金属纳米团簇HgPdAu23(PET)18

异金属原子引入原子精确的金属纳米团簇是调控团簇物理化学性质的有效手段,目前报道的异金属原子掺杂团簇大多数是单个金属原子掺入金属团簇中形成的二元金属纳米团簇,而两个异金属原子同时掺入同一个金属团簇中形成三元金属纳米团簇的报道较少.本工作中,我们报道了Pd和Hg双原子同时掺入Au₂₅(PET)₁₈(PET=苯乙硫醇)团簇中形成HgPdAu₂₃(PET)₁₈新团簇,推测了Pd和Hg在三元金属团簇中最可能的位置,即Pd位于三元金属团簇的内核中心,而Hg原子位于三元金属团簇内核的表面.不同金属种类以及不同的掺杂位置导致了三元金属团簇HgPdAu₂₃(PET)₁₈具有不同于原始团簇Au₂₅(PET)₁₈和二元金属团簇PdAu₂₄(PET)₁₈和HgAu₂₄(PET)₁₈的电子构型.本研究为双金属异原子掺入金属纳米团簇的精准制备提供了新的思...     

(TiNi)_x(x=2~4)团簇结构和电子结构

从团簇角度对TiNi形状记忆合金进行了量子化学从头算研究。设计并优化了等原子比(TiNi)x(x=2~4)簇的多种可能几何结构,并对较稳定构型进行电子结构的分析。结果表明,等原子比的(TiNi)n团簇以TiNi成键为主要分子骨架,小团簇有较多能量接近的异构体,TiTi成键对能量降低有较大贡献。     

金钯二元小团簇的几何结构与电子性质

在UBP86/LANL2DZ和UB3LYP/def2-TZVP水平下详细研究了AumPdn(m+n≤6)团簇的几何结构和电子性质.阐明了团簇的结构特征、平均结合能、垂直电离势、垂直电子亲和能、电荷转移以及成键特征.除单取代混合团簇(AunPd和AuPdn,n=5或6)外,五和六原子混合团簇中钯原子趋于聚集到一起形成Pdcore,金原子分布在Pdcore周围形成PdcoreAushell结构.含一个和两个钯原子团簇的电子性质与纯金团簇类似,呈现一定奇偶振荡.混合团簇的电子性质,如最高占据分子轨道(HOMO),最低未占据分子轨道(LUMO),垂直电离势,垂直电子亲和能,Fermi能级和化学硬度等均与团簇空间结构和金、钯原子数之比直接相关.混合团簇中存在钯原子到金原子间的电荷转移,表明团簇中存在明显金钯间成键作用.分析团簇的电荷分布、前线轨道和化学硬度表明,金钯混合团簇对小分子如O2、H2和CO等的反应活性要强于纯金团簇.