从头计算方法比较研究B2Au4, Al2Au4和BAlAu4的几何和电子结构

Au/H 相似性的研究是现代化学中的一个热门话题. 我们从理论上报道Au/H 相似的新成员: 共价化合物B₂Au₄, 离子化合物Al₂Au₄和BAlAu₄. 采用密度泛函和波函数理论方法对比研究了缺电子体系B₂Au₄、Al₂Au₄和BAlAu₄的几何和电子结构. 详细讨论了它们基态结构的轨道、适应性自然密度划分(AdNDP)和电子局域函数(ELF)分析. 计算结果表明稍微扭曲变形的C₂B₂Au₄是基态结构, 在这个共价化合物中含有两个B―Au―B三中心二电子(3c-2e)键. 然而C_3v Al⁺(AlAu₄)^-和C_3v Al⁺(BAu₄)^-被研究证明是含有三个X―Au―Al 三中心二电子键的类盐化合物(在Al₂Au₄中X=Al, BAlAu₄中X=B). Al₂Au₄和BAlAu₄是至今为止首例报道的在离子缺电子体系中含有金桥键的化合物. 同时计算了B₂Au₄^-、Al₂Au₄^- 和BAlAu₄^- 阴离子基态结构的绝热剥离能和垂直剥离能, 为实验表征提供依据. 文中报道的金桥键为共价键和离子键相结合的缺电子体系提供了一个有趣的键合模式, 有助于设计含有高度分散金原子的新材料和催化剂.     

AlmN(m=2～9)团簇结构与稳定性的DFT研究

用密度泛涵理论(DFT)的B3LYP方法在6-31G*水平上对AlmN(m =2～9)团簇的几何构型、电子结构、振动频率等性质进行了理论研究.给出了以Alm团簇作为设计AlmN类结构的母体，考虑在不同位置上结合N原子的结构，可以较快找到AlmN类团簇基态结构的一种方法.通过对基态结构的几何参数分析发现， m＜4的结构只存在Al－N键； m≥4的结构, Al－N键和Al－Al键共存.对基态结构的绝热电离能讨论结果表明，只存在Al－N键的Al2N和Al3N团簇较稳定.     

C_nAl~+小团簇结构的几何特征与稳定性

采用密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法,研究了CnAl+(n=2-12)团簇的几何结构与电子性质.在6-311++G**水平上对CnAl+(n=2-12)团簇进行了几何构型优化和振动频率计算.结果表明,CnAl+团簇的基态结构为Al原子与Cn链端基配位形成的直线或折线形结构,以及Al原子与Cn环上1个C原子端位相连或打开Cn环与2个C原子相连形成的环状结构.分子总的平均键长随着n的增大逐渐趋于定值(0.138nm).通过对基态结构的能量分析,得到了CnAl+团簇的稳定性信息.     

AlmN(m=2～9)团簇结构与稳定性的DFT研究

用密度泛涵理论 (DFT)的 B3LYP方法在 6-31G水平上对 AlmN(m=2～ 9)团簇的几何构型、电子结构、振动频率等性质进行了理论研究.给出了以 Alm团簇作为设计 AlmN类结构的母体,考虑在不同位置上结合 N原子的结构,可以较快找到 AlmN类团簇基态结构的一种方法.通过对基态结构的几何参数分析发现, m< 4的结构只存在 Al- N键; m≥ 4的结构 , Al- N键和 Al- Al键共存.对基态结构的绝热电离能讨论结果表明,只存在 Al- N键的 Al2N和 Al3N团簇较稳定.     

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.     

C_nAl_m~+(n=1～12,m=1,2)团簇几何结构特征与稳定性的量子化学研究

采用密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法,在6-311++G**水平上对CnAlm+(n=1～12,m=1,2)团簇的几何和电子结构进行了理论计算,讨论了混合团簇的结构与成键特征,以及振动频率与电荷转移.结果表明,CnAl+团簇的基态结构分别为Al原子与Cn链端基配位形成的直线或折线状结构,以及Al原子与Cn环上1个C原子端位相连或打开Cn环与2个C原子相连形成的环状结构;分子总的平均键长随着n的增大逐渐趋于定值0.138nm.CnAl+2团簇基态结构可以看作是两个较小的Cn/2Al+分子碎片通过端位C原子相互结合形成CcoreAlshell的直线或顺式与反式折线状结构;分子总的平均键长随着n的增大逐渐趋于定值0.141nm.通过对基态结构的能量分析,得到了CnAl+和CnAl+2团簇的稳定性信息.     

Au(II)化合物[Au(CH_2)_2PH_2]_2X_2(X=F,Cl,Br,I)的量子化学理论研究

采用从头计算HF,MP2方法和密度泛函理论,对Au(II)系列化合物[Au(CH2)2PH2]2X2(X=F,Cl,Br,I)的几何结构、电子结构和振动频率进行了研究.研究表明Au的5d和6s电子参与Au—Au以及Au—X之间的成键.Au—Au,Au—X键强烈的电子相关作用使HF方法不适于该体系的研究,BP86和B3LYP两种泛函给出较大的Au—Au和Au—X键长,而MP2方法和局域的密度泛函方法则给出了合理的结构参数.局域密度泛函方法计算得到的Au—Au键和Au—X键振动频率也与实验数据符合较好.还运用含时密度泛函理论计算了[Au(CH2)2PH2]2X2的电子激发能,对分子在紫外-可见光谱范围内的电子跃迁进行了分析,考察了卤素配体对激发能的影响,并结合分子轨道能级的变化对此给予了解释.     

AlmN2 (m=1～8)团簇结构与稳定性的DFT研究

用密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法，在6-31G*水平上对AlmN2(m=1～8) 团簇的几何构型、电子结构、振动频率和热力学性质进行了理论研究. 结果表明， AlmN2团簇的基态结构有两种基本构型， m≤2的结构是以N－N键为核心周围与Al原子相配位形成的; m >2的结构是由两个AlnN（n< m）分子碎片通过共用Al原子或Al－Al键相互结合形成的，这为较快找到AlmN2团簇基态结构提供了一条有效途径. 通过对基态结构能量二次差分的讨论，得到了m为偶数的AlmN2团簇比m为奇数的稳定.     

[C（AuPH3）m]^n＋（m=4-6；n=0-2）的成键性质和稳定性研究

用MP2／LanL2DZ方法优化C(AuPH3)4[1a(C4v)；1b(Td)]．[C(AuPH3)5]^ [2a(C3h；2b(Cs)]以及[C(AuPH3)6]^2 [3a(C2h)；3b(C2v)]的结构，得到的几何参数与实验值相符．MP2水平下的自然键轨道(Natural bond orbitals，NBO)分析表明．Au具有d(sp)杂化性质．其中(sp)具有s-p混合的轨道性质；沿C-Au辐射方向形成的σ键和切向Au—Au之间的弱吸引相互作用使得整个分子稳定．化合物1a，2和3具有2或3个二电子三中心键．表明该类化合物具有与传统C化学不同的电子结构和立体化学构型。     

[C(AuPH3)m]n+ (m=4-6; n=0-2)成键性质和稳定性研究

用MP2/LanL2DZ方法优化C(AuPH3)4[1a(C4v); 1b(Td)], [C(AuPH3)5]+[2a(C3h); 2b(Cs)]以及[C(AuPH3)6}]2+[3a(C2h); 3b(C2v)]的结构, 得到的几何参数与实验值相符. MP2水平下的自然键轨道(Natural bond orbitals, NBO)分析表明, Au具有d(sp)杂化性质, 其中(sp)具有s-p混合的轨道性质; 沿C-Au辐射方向形成的σ键和切向Au-Au之间的弱吸引相互作用使得整个分子稳定. 化合物1a, 2和3具有2或3个二电子三中心键, 表明该类化合物具有与传统C化学不同的电子结构和立体化学构型.     

乙硼烷离子和自由基结构的量子化学研究

用B₃LYP/6-311G(d,p)密度泛函方法对B₂H₅⁺阳离子和B₂H₅^·自由基的几何异构体的空间构型进行了优化,并在此基础上用QCISD(T)/6-311++G(3df,2p)偶合簇法进行了单点能计算和零点能校正.结果表明,B₂H₅⁺单态有2种稳定的几何构型(D_3h,C₁),其中C₁构型是新发现的.B₂H₅⁺三重态阳离子除已知C_s构型外,又发现两种稳定构型(C₁).对于B₂H₅^·自由基体系,共有4种异构体(包括两种新发现的构型C_s),其中,具有单桥结构的C_2v最稳定.用二级多体微扰理论和密度泛函方法对前人所认为稳定的B₂H₅⁺单态的C_2v构型进行了全优化,结果发现该构型始终具有一个虚频,不是稳定构型.对B₂H₅^-阴离子体系的单态和三重态进行的全优化,理论上得出单态时具有C_2v和C_s两种稳定构型,而三重态只有C_2v一种稳定构型.     

Al代位合金化对D88-Ti5Si3力学性能与电子结构影响的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理赝势平面波方法, 计算了不同数量的Al 原子代位六方D8₈结构的Ti₅Si₃晶体中的Si 原子后的形成能(ΔH_f)、结合能(ΔE_coh)、体模量(B)、剪切模量(G)、泊松比(ν)、Cauchy 压力参数(C₁₂―C₆₆,C₁₃―C₄₄)、金属性(f_m)和派-纳力(τ_P-N)等参数, 表征了Al 合金化对D8₈-Ti₅Si₃的结构稳定性和力学性质的影响. 结合态密度、差分电荷密度图和Mulliken 布居等电子结构分析, 揭示了Al 原子的添加量对D8₈-Ti₅Si₃的韧/脆性变化的影响机制. 研究表明, D8₈-Ti₅Si₃晶体中强的Ti^6g―Si^6g方向共价键是导致其室温脆性的主要原因. 当1 个和2 个Al 原子占据D8₈-Ti₅Si₃晶体中Si^6g位置时, 形成了键强较弱的Al^6g―Si^6g键、Ti^6g―Al^6g键和Ti4d―Al^6g键, 同时降低了D8₈-Ti₅Si₃中Ti^6g―Si^6g键的强度和数量, 从而提高了D8₈-Ti₅Si₃的韧性. 当D8₈-Ti₅Si₃晶体中Si^6g位置被3个Al 原子所占时, Al^6g―Si^6g键消失, 而Ti^6g―Si^6g键的强度增加, 导致Ti₅(Si_1-xAl_x)₃的脆性增加.     

阴离子插层镁铝水滑石结构及相互作用的理论研究

采用密度泛函理论(DFT)计算了MgAl-LDHs层板与无机阴离子(F^-、Cl^-、NO₃^-、CO₃^2-、SO₄^2-)和有机阴离子(水杨酸根离子([HO(C₆H₄)COO]^-)、苯甲酸根离子([(C₆H₅)COO]^-)、对二甲氨基苯甲酸根离子([p-(CH₃)₂N(C₆H₄)COO]^-)、十二烷基磺酸根离子[C₁₂H₂₅SO₃]^-、己烷基磺酸根离子[C₆H₁₃SO₃]^-、丙烷基磺酸根离子[C₃H₇SO₃]^-)间的相互作用,获得稳定超分子几何结构及相互作用能。层板主体与客体间存在较强的超分子作用,包括主客体间静电作用和氢键等。主、客体间相互作用能数值大小顺序为CO₃^2- > SO₄^2- > F^-> Cl^-> NO₃^-;[p-(CH₃)₂N(C₆H₄)COO]^-> [(C₆H₅)COO]^-> [HO(C₆H₄)COO]^-和[C₁₂H₂₅SO₃]^-> [C₆H₁₃SO₃]^- > [C₃H₇SO₃]^-。另外,还采用自然键轨道(NBO)计算和分析了LDHs 层板与阴离子间作用机理,从二阶微扰理论计算得到的稳定化能变化趋势与相互作用能数据基本吻合。     

Ab initio MRD-CI study of GaAs, GaAs2(±), Ga2As2(±) and As4 clusters

Using pseudopotentials and double zeta basis sets with s, p diffuse functions and two sets of d functions, MRD-CI calculations were performed on As₂^(±), As₄⁽⁺⁾, GaAs⁻, GaAs₂^(±) and Ga₂As₂^(±). This study complements previous theoretical investigations on Ga^(±) to Ga₄^(±) and GaAs⁽⁺⁾. For As₄ tetrahedral symmetry was assumed, and Re of X¹A₁ determined as 4.73a₀. Vertical ionization potentials to several states of As₄⁺ were calculated. For GaAs₂, GaAs₂⁺ and GaAs₂⁻, ground and one low-lying state were geometry-optimized, both in C_2v (Ga-As-As), and linear symmetry (GaAsAs, C_∞h and AsGaAs, D_∞h). The lowest state of GaAs₂ is ²B₂ in C_2v. For Ga₂As₂, the lowest state and low-lying excited states were optimized in various geometries. The most stable state has rhombic structure (¹A_g in D_2h), but T-form and other forms (C_2v, C_∞v, D_∞h) are only 1–2 eV less stable. In D_2h symmetry, several low-lying excited states of Ga₂As₂ were studied. The ground states of Ga₂As₂⁺ and Ga₂As₂⁻ were found to be ²B_2u, and ²B_2g, respectively. Trends in ionization potentials (IP), electron affinities (EA), atomization energies and fragmentation energies for the molecules Ga_xAs_y and the pure compounds Ga_n and As_n up to 4 atoms, were studied. Ga_xAs_y clusters, with x + y even, have higher IP's than odd-numbered clusters. An experimentally observed alternation of EA, whereby an odd number of atoms have higher EA than their even neighbors, is confirmed. The mixed compounds Ga_xAs_y have atomization energies between those of Ga_n and As_n (x + y = n), usually closer to those of Ga_n. Fragmentation of Ga_xAs_y occurs such that As----As bonds are retained, and if possible, also Ga----As bonds, since the dissociation energy of As₂ is higher than that of GaAs, which in turn is higher than that of Ga₂. Calculated fragmentation energies agree qualitatively with experimental observations about the composition of 3-atomic and 4-atomic clusters Ga_xAs_y.     

H2XP…SHY复合物中磷键与硫键的理论研究

用从头算量子化学方法MP2 与CCSD(T)研究了H₂XP和SHY (X, Y=H, F, Cl, Br)分子的P与S之间形成的磷键X―P…S与硫键Y―S…P的本质与规律以及取代基X与Y对成键的影响. 计算结果表明, 硫键比磷键强, 连接在Lewis 酸上的取代基的电负性增大导致形成的磷键或硫键增强, 键能增大, 对单体的结构和性质的影响也增大; 而连接在Lewis 碱上的取代基效应则相反. 硫键键能为8.37-23.45 kJ·mol^-1, 最强的硫键结构是Y 电负性最大而X 电负性最小的HFS…PH₃, CCSD(T)计算的键能是16.04 kJ·mol^-1; 磷键键能为7.54-14.65 kJ·mol^-1, 最强的磷键结构是X 电负性最大而Y 电负性最小的H₂FP…SH₂, CCSD(T)计算的键能是12.52 kJ·mol^-1. 对磷键与硫键能量贡献较大的是交换与静电作用. 分子间超共轭lp(S)-σ^*(PX)与lp(P)-σ^*(SY)对磷键与硫键的形成起着重要作用, 它导致单体的极化, 其中硫键的极化效应较大, 从而有一定的共价特征.     

锂钠复合超价氧化物的电子结构和稳定性

采用6-31G^*基组,用B3LYP密度泛函方法,对OLi_nNa₂(n=1-4)及OLi₂Na系列分子的所有可能结构进行了几何优化和频率计算,得到各分子的几种能量极小点.除OLi₄Na₂采取D_2d对称性外,该系列其它4种分子都采取C_2v对称作为它们的能量最低点.OLi_nNa₂(n=2,3,4)分子解离出一个Li原子的离解能分别为212.25432,68.49208和245.55896kJ/mol,表明此类分子在热力学上是相当稳定的.     

C60离子撞击固体表面的坍塌和沉积(Ⅲ)——量子化学从头算研究

C60因其构型的特殊性--由12个五边形和20个六边形构成的具有Ih对称性的球体,并且每个C原子所处环境的相同性--都位于2个六边形和1个五边形的顶点,因而具有特殊的结构稳定性.在以往激光或碰撞实验中,C60相当稳定,具有很高的解离能.     

二维铁电材料ABP2X6内在极高的负泊松比

Recently, ferroelectric materials have attracted considerable research attention. In particular, two dimensional (2D) ferroelectric materials have been considered as most crucial for next-generation circuit designs because of their application as novel electric memory devices. However, a 2D ferroelectric material is very rare. The ferroelectric materials with the form ABP₂X₆ (A = Ag, Cu; B = Bi, In; X = S, Se) are of interest because of their ferroelectric property maintained in their ultrathin structures. Within the ABP₂X₆ monolayer, the P―P bonds form the pillars that hold the top and bottom X planes, while the off-center A―B atoms between the X layers induce a spontaneous ferroelectric polarization. If the two off-center A―B sites are equally aligned, this would lead to the appearance of the paraelectric state. Such intriguing structures must impart novel mechanical properties to the materials. Until now, there has been no report on the mechanical properties of monolayer ABP₂X₆. Based on first-principles calculations, we studied the structural, electronic, mechanical as well as the electromechanical coupling properties of monolayer ABP₂X₆ (A = Ag, Cu; B = Bi, In; X = S, Se). We found that they are all semiconductors with wide bandgaps of 2.73, 2.17, 3.00, and 2.31 eV for CuInP₂Se₆, CuBiP₂Se₆, AgBiP₂S₆, and AgBiP₂Se₆, respectively, which are calculated based on the Heyd-Scuseria-Ernzerhof (HSE) exchange correlation functional model. The conduction band minimum is mainly from p orbitals of X and B atoms, whereas the valence band maximum is due to the hybridization of the p orbital of X atoms and the d orbital of A atoms. Moreover, there are three short and three long A/B―X bonds due to the A―B off-center displacement. Together with the d-p orbital hybridization, the main reason for the distorted ferroelectric structure in ABP₂X₆ monolayers is the Jahn-Teller effect. ABP₂X₆ monolayers are predicted to be a new class of auxetic materials with an out-of-plane negative Poisson's ratio, i.e., the values of the negative Poisson's ratio are in the order AgBiP₂S₆ (−0.805) < AgBiP₂Se₆ (−0.778) < CuBiP₂Se₆ (−0.670) < CuInP₂S₆ (−0.060). This is mainly due to the tensile strain applied in the x/y direction enlarging the angle between P―P bonds and top layer X atoms, thereby enhancing the bucking height of monolayer ABP₂X₆. Moreover, external strain has a significant impact on the A―B off-center displacement, rendering an out-of-plane piezoelectric polarization. The values of e₁₃ for CuInP₂S₆, CuBiP₂Se₆, AgBiP₂S₆, AgBiP₂Se₆ monolayers are calculated to be −3.95 × 10⁻¹², −5.68 × 10⁻¹², −3.94 × 10⁻¹², −2.71 × 10⁻¹² C∙m⁻¹, respectively, which are comparable to the only experimentally confirmed 2D out-of-plane piezoelectric Janus system (piezoelectric coefficient = −3.8 × 10⁻¹² C∙m⁻¹). This unusual auxetic behavior, ferroelectric polarization, and the electromechanical coupling in monolayer ABP₂X₆ could potentially lead to enormous technologically important applications in nanoelectronics, nanomechanics, and piezoelectrics.     

CnBδ(δ=0, ±1; n =1～6)团簇的结构、稳定性和光谱

采用密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法,在6-31G*和6-311＋G(3df)水平上对C_nB(n=1～6)团簇及其阴离子和阳离子的几何构型和电子结构进行了优化和振动频率计算.得到了C_nB(n=1～6)团簇的电离能,绝热电子亲合势以及C_nB^δ(δ=0,±1)团簇的能隙.结果表明C_nB^－(n=1～6)团簇的基态构型均为线形,这与等电子的C_n簇合物的结构是一致的; C_nB(n=1～6)团簇的基态构型中,除C₂B为不对称的三角形,C₆B为具有C_2v对称性的环状结构外,其余均为线形结构.阳离子团簇中n=2、3、6的基态结构具有C_2v对称性外,其它几个均为线形结构.从几何参数和振动频率上发现,采用密度泛函B3LYP方法在6-311＋G(3df)和6-31G*两种基组上计算得到的键长参数和振动频率非常接近,说明B3LYP方法在计算C_nB簇合物结构参数上对于基组的选择是不太敏感的.通过对C_nB(n=1～6)的光电子能谱性质的研究发现,C₄B容易获得一个电子形成阴离子团簇,但失去一个电子是很困难的,这与实验上观测到的结果非常吻合.