一类金属卤化物中孤对电子立体化学活性 及其对双折射率的影响机制研究

双折射材料广泛应用在激光通讯等工程和研究领域。本文使用第一性原理方法研究了后过渡金属卤化物PbX2和BiX3(X=Cl, Br, I)的电子结构与双折射率。计算结果表明,PbX2和BiX3(X=Cl,Br,I)中阳离子孤对电子立体化学程度自X=Cl至X=I逐渐减弱。原子轨道计算分析表明M s-X p (M为阳离子,X为卤素)轨道能级差值决定阳离子孤对电子立体化学活性程度;能级差值越大,孤对电子立体化学活性程度越弱。费米面附M p轨道极大影响材料双折射率的大小,因而使得这些材料的双折射率从X=Cl至X=I逐渐增强。     

伽马CuX(X=Cl,Br,I)的电子结构和光学性质的第一性原理计算

基于第一性原理赝势平面波方法对伽马晶体CuCl, CuBr, CuI的体模量、体模量对压强的一阶偏导 数、电子结构、折射率等光学性质进行了计算.计算结果表明,广义梯度近似(GGA)下CuX(X = Cl, Br, I) 晶体的晶格常数与体模量的计算值与实验相差较小.与局域密度近似(LDA)相比, GGA更适合于 CuX(X = Cl, Br, I)晶体 的计算.这三者的价带都来源于Cu的3d态,导带部分主要来自Cu和卤素的s电子贡献,很少部分来自卤素的p电子 贡献.计算得到CuCl, CuBr, CuI的折射率分别为1.887, 2.015, 2.199,与应用Gladstone-Dale半经验关系得到 的结果符合得很好.     

Ni (M)4X2型络合物的ZFS和EPR参量的数值计算

根据全组态混合统一晶场理论模型,设计了计算Ni(M)₄X₂(X=Cl、Br、I)型化合物能量矩阵的特征值、特征矢以及拟合其光谱、ZFS(Zero field splitting)和EPR(Electron paramagnetic resonance)参量的计算机程序,利用该程序拟合出了Ni(M)₄X₂(M=pz、mpz,X=Cl、Br、I)型化合物的光谱、ZFS和EPR参量,并总结出了利用该程序对其拟合的一般规律,其计算结果与实验值一致.     

Eu~(3+):LaOX(X=Cl,Br,I)晶体的角重迭晶场参数计算

本文运用角重迭模型(AOM)在考虑其全部四个参数e_σ、e_π、e_δ及e_φ的基础上首次对Eu~(3+):LaOX(X=Cl,Br,I)晶体在晶场作用下的能级劈裂进行了拟合.     

钙钛矿CsPbX3(X=Cl,Br,I)与五环石墨烯范德瓦耳斯异质结的界面相互作用和光电性能的第一性原理研究

异质结工程是一种提高半导体材料光电性能的有效方法.本文构建了全无机钙钛矿CsPbX₃(X=Cl,Br,I)和二维五环石墨烯penta-graphene(PG)的新型范德瓦耳斯(vdW)异质结,利用第一性原理研究了CsPbX₃-PG异质结不同界面接触的稳定性,进而计算了稳定性较好的Pb-X接触界面异质结的电子结构和光电性能.研究结果表明,CsPbX₃-PG(X=Cl,Br,I)异质结具有II型能带排列特征,能级差距由Cl向I逐渐缩小,具有良好的光生载流子分离能力和电荷输运性质.此外,研究发现CsPbX₃-PG异质结能有效拓宽材料的光吸收谱范围,并能显著提高其光吸收能力,尤其是CsPbI₃具有最优的光吸收性能.经理论估算,CsPbX₃-PG的光电功率转换效率(PCE)可高达21%.这些结果表明,全无机金属卤化物钙钛矿CsPbX₃-PG异质结可以有效地提高半导体材料的光电性能,预期在光电转换器件中具有重要的应用潜力.     

(μ-L1)(μ-L2)十羰基合三锇电子光谱的含时从头计算

用从头计算(ab initio)方法,在HF/CEP-4G水平上,全优化计算了Os₃(CO)₁₀(μ-L1)(μ-L2) [L1,L2=H,Cl,Br,I]簇合物的的分子几何构型,在此基础上对这些簇合物的前线轨道进行了讨论,发现对于M—M键,p轨道虽有贡献,但以s,d轨道的贡献为主,同时从Cl→I,随着桥配体原子序的增大,Os₃(CO)₁₀(μ-L)₂类簇合物的HOMO与NHOMO轨道能量依次升高,而Os₃(CO)₁₀(μ-H)(μ-L)类簇合物只有HOMO轨道能量依次升高,而Os₃(CO)₁₀(μ-L)₂类簇合物的LUMO与HOMO的能量差Δε_L-H及LUMO与NHOMO的能量差Δε_L-NH都依次变小,可以预示,簇合物的电子光谱基谱带将红移。用TDHF计算了这些簇合物的电子吸收光谱。计算结构表明,簇合物Os₃(CO)₁₀(μ-H)₂(I)的跃迁主要为π→σ*和σ→σ*,对于其他几个簇合物Os₃(CO)₁₀(μ-H)(μ-L) [L=Cl,Br,I] 和Os₃(CO)10(μ-L)₂[L=Cl,Br],电子吸收峰主要都发生在σ→σ*的跃迁。从Cl→I,随着桥配体原子序的增大,簇合物的电子光谱基谱带红移,且光谱线强度逐渐减弱。     

晶体NiX2(X=Cl,Br,I)的光谱和电子顺磁共振谱研究

在强场耦合图像中,采用双自旋-轨道耦合(SO)参量模型建立了过渡族3d2(3d8)离子的三角对称下全组态光谱能级和电子顺磁共振(EPR)公式.与经典的晶体场理论(仅考虑中心金属离子的自旋-轨道耦合作用)相比较,该公式还包括了配体离子的自旋-轨道耦合作用的贡献,这一模型在应用于计算共价性较强的晶体光谱和电子顺磁共振谱可得到合理的结果.作为验证,用完全对角化方法研究了品体NiX2(X=Cl,Br,I)的光谱和电子顺磁共振谱,结果表明,理论与实验很好地符合.建立的全组态谱能级和电子顺磁共振公式为更精确地计算光谱和电子顺磁共振谱提供了一条可行方法.     

KX（X=Cl,Br,I）晶体中Eu^2＋离子的4f^65d态能级计算

按着4f~6(~7F_J)和5dΓ_1耦合模型,提出了计算KX(X=Cl,Br,I)晶体中Eu~(2+)离子4f~65d能级的方法,导出了能级的参数表达式,并进行了数值计算,计算结果和实验符合较好.     

Density functional study on chirospectra of hydrogen-bonded systems X-（H2O）3（X=F,Cl,Br,I）

This paper calculates the molecular structures,infrared,Raman,circular dichroism spectra and optical rotatory powers of some hydrogen-bonded supramolecular systems as a cyclic water trimer,(H2O)3 and its pyramidal halide complexes,X-(H2O)3(X = F,Cl,Br,I) with the gradient-corrected density functional theory method at the B3LYP/6-311++G(2d,2p) and B3LYP/Aug-cc-pVTZ levels.It finds that the complexation of halide anions with the water trimer can efficiently modulate the chirally optical behaviors.The calculated vibrational circular dichroism spectrum illuminates that the vibrational rotational strength of S(+)-(H2O)3 mostly originates from the O-H rocking modes,whereas chirality of S(-)-X-(H2O)3(X = F,Cl,Br,I) has its important origin in the O-H stretching modes.The calculated optical rotatory power demonstrates that S(+)-(H2O)3 and S(+)-F(H2O)3 are positively chiral,whereas S(-)-X-(H2O)3(X = Cl,Br,I) are negatively chiral.With the polarizable continuum model,calculated bulk solvent effect in the solvents water and carbontetrachloride and argon shows that the positive chirality of S(+)-(H2O)3 is enhanced and the negative chirality of S(-)-X-(H2O)3(X = Cl,Br,I) and the positive chirality of S(+)-F(H2O)3 are reduced with an augmentation of the solvent dielectric constant.     

CF3Cl，CF2Cl2 和CFCl3分子外价壳层轨道特性的电子动量谱学研究

通过比较相同电子成分轨道的实验和DFT-B3LYP/6-311+G*理论的电子动量分布,系统研究了CF3Cl,CF2Cl2 和CFCl3分子外价壳层的轨道特性.研究结果表明CF3Cl,CF2Cl2 和CFCl3分子的Cl（3p）孤对电子轨道随着Cl原子个数增多,分子内相互作用逐渐增强,Cl原子3p轨道电子动量分布的特征逐渐淹没;F孤对电子轨道和的电子动量分布在高动量区出现了一个弱结构,且随Cl原子个数增多和F原子个数减少逐渐消失,这可能是由于部分轨道C-Cl 键电子成分的贡献;除3a1轨道外,C-F成键轨道和的理论的电子动量分布均在低动量端低于实验结果,可能是由于“d-like” 轨道低动量端的扭曲波效应;3a1轨道理论的电子动量分布均在 范围内低于实验结果,可能是由于扭曲波效应和电子关联等效应的影响.     

亚锗基卡宾及取代亚锗基卡宾与环氧乙烷抽提反应机理的密度泛函理论研究

采用B3LYP/6-311G(d,p)方法研究了单重态亚锗基卡宾及取代亚锗基卡宾X₂Ge=C:(X=H, F, Cl, CH₃)与环氧乙烷的氧转移反应机理. 结果表明, 由于环氧乙烷中氧上的2p孤对电子向X₂Ge=C:中C上的2p空轨道迁移,形成了p→p授受键,从而生成了各中间体. 随着p→p授受键的不断加强(即C-O键的逐渐缩短),中间体经过渡态生成了抽提产物. 取代基的电负性是影响该类反应的主要因素,取代基的电负性越大,反应的活化能越小     

Eu3+:LaOX(X=Cl,Br, I)晶体的角重迭晶场参数计算

本文运用角重迭模型(AOM)在考虑其全部四个参数eσ、eπ、eδ及eφ的基础上首次对Eu3+:LaOX(X=Cl,Br,I)晶体在晶场作用下的能级劈裂进行了拟合.     

阳离子X_3~+(X=Sc,Y,La)团簇d轨道芳香性的理论研究

运用密度泛函(DFT)和关联从头算(correlated ab initio)理论,对阳离子X_3~+(X=Sc、Y、La)和相关的中性X_3Cl(X=Sc、Y、La)团簇的稳定结构与芳香性进行研究.计算结果表明,X_3~+阳离子有两个稳定异构体:正三角型(D_(3h))和线型(D_(∞h)),其中正三角型为基态.对于中性的X_3Cl团簇,Sc_3Cl有三个稳定的异构体:三角金字塔型(C_(3v))、双齿型(C_(2v)-1)和C_(2v)-2型(图1);而Y_3Cl和La_3Cl只有2个稳定的异构体:三角金字塔型(C_(3v))和双齿型(C_(2v)-1).但这三个中性X_3Cl团簇的基态都是双齿型(C_(2v)-1)结构.对阳离子正三角型(D_(3h))基态结构进行共振能(RE)和核独立化学位移(NICS)的计算结果表明,X_3~+正三角型异构体展现出较高的芳香性.详细的分子轨道分析显示,正三角型Sc_3~+和Y_3~+阳离子有一个离域的π型分子轨道,显现出单π-芳香性;而正三角型La_3~+阳离子有一个离域的σ型分子轨道,显现出单σ-芳香性.X_3~+单π-芳香性或单σ-芳香性主要源于过渡金属Sc、Y和La的d原子轨道的贡献.另外,通过分子轨道分析还发现,当一个补偿阴离子Cl~-分别与Sc_3~+、Y_3~+阳离子结合成中性Sc_3Cl、Y_3Cl团簇时,其组成单元Sc_3~+、Y_3~+的芳香类型从原π-芳香性变为σ-芳香性,而当一个补偿阴离子Cl~-与La_3~+阳离子结合成中性La_3Cl时,其组成单元La_3~+原σ-芳香性保持不变.换言之,三个中性X_3Cl团簇都只显现出单σ-芳香性.     

Optoelectronic and elastic properties of metal halides double perovskites Cs_2InBiX_6(X = F,Cl, Br,I)

Structural geometry, electronic band gaps, density of states, optical and mechanical properties of double perovskite halides Cs_2InBiX_6(X = F, Cl, Br, I) are investigated using the density functional theory. These compounds possess genuine perovskite stoichiometry, evaluated using various geometry-based indices like tolerance factor, octahedral factor, and formation energy. The fundamental electronic band gaps are direct and valued in the range 0.80–2.79 e V. These compounds have narrow band gaps(except Cs_2InBiX_6) due to strong orbital coupling of the cations. The valence band maximum and conduction band minimum are confirmed to be essentially of In 5 s and Bi 6 p characters, respectively. The splitting of Bi 6 p bands due to strong spin-orbit coupling causes reduction in the band gaps. These compounds have large dispersion in their bands and very low carrier effective masses. The substitution of halogen atoms has great influence on the optical properties. The mechanical properties reveal that Cs_2InBiX_6(X = F, Cl, Br, I) satisfy the stability criteria in cubic structures.     

双钙钛矿卤化物Cs2AgFeX6（X = Cl，Br，I）电子结构和光学性质的第一性原理研究

近年来,银卤化物双钙钛矿作为铅基杂化卤化物钙钛矿的潜在环保替代品得到了广泛的研究。最近实验上合成的新型无铅双钙钛矿单晶材料Cs2AgFeCl6是一种立方结构半导体,吸收光谱可拓宽至800 nm。本论文采用密度泛函理论的第一性原理方法,对Cs2AgFeX6（X = Cl,Br,I）的电子结构和光学性质进行研究,讨论了二者之间的内在关联,并分析了X位元素的改变对材料性质的影响。电荷密度计算结果显示,由Cl到I,Fe-X键逐渐减弱,即原子对电荷的束缚能力减弱。另一方面,三种材料的带隙宽度是逐渐减小的,Cs2AgFeCl6和Cs2AgFeBr6带隙分别为1.40 eV和0.91 eV,而Cs2AgFeI6则呈现金属性质。Cs2AgFeX6双钙钛矿的光谱特征峰随 X 位原子序数的增加明显红移,且在可见至红外光波段均有明显的光吸收：Cs2AgFeCl6在534 nm处的吸收系数达到21.28×104 cm-1,Cs2AgFeBr6在712 nm处的吸收系数为20.54×104 cm-1,而Cs2AgFeI6在1200 nm后的红外波段有一极宽的吸收峰,吸收系数可以达到10×104 cm-1。本论文为Cs2AgFeX6（X = Cl,Br,I）在光电子器件领域的广泛应用提供了理论指导。     

X3+ (X=Sc, Y, La)阳离子团簇d轨道芳香性的理论研究

本文运用密度泛函（DFT）和哈特里-福克后（post-HF）理论,对三个阳离子X3+(X=Sc、Y、La) 和相关的三个中性X3Cl (X=Sc、Y、La)团簇的稳定结构与芳香性进行研究。计算结果表明,三个X3+阳离子有两个稳定异构体：正三角型(D3h)和线型(D∞h),其中正三角型为基态;对于三个中性的X3Cl团簇,Sc3Cl 有三个稳定的异构体: 三角金字塔型(C3v)、双齿型(C2v-1) 和 C2v-2型（图 1 e）;Y3Cl 和 La3Cl有2个稳定的异构体: 三角金字塔型(C3v) 和双齿型(C2v-1)。三者的基态都是双齿型(C2v-1)结构。接着,对阳离子正三角型(D3h)基态结构进行共振能（RE）和核独立化学位移（NICS）的计算。计算结果表明,X3+正三角型异构体展现出较高的芳香性。随后详细的分子轨道分析显示,正三角型Sc3+ 和Y3+阳离子有一个离域的π型分子轨道,显现出单π-芳香性;而正三角型La3+阳离子有一个离域的σ型分子轨道,显现出单σ-芳香性。并且,X3+ 的单π 芳香性或单σ芳香性主要是源于过渡金属Sc、Y和La中的d原子轨道的贡献。另外,通过详细分子轨道分析还发现,当一个补偿阴离子Cl-分别与Sc3+、Y3+、La3+阳离子结合时,中性Sc3Cl, Y3Cl团簇的芳香类型从组成单元Sc3+、Y3+的π-芳香性变为σ-芳香性,而中性La3Cl 团簇其组成单元La3+的σ-芳香性保持不变。总之,三个中性X3Cl团簇都只显现出单σ-芳香性。 （这篇文章是第15届全国原子分子会议稿件）     

N(4S)+CH3X(X=Cl、Br)反应机理的理论研究

利用abinitio方法对N(4S)+CH3X(X=Cl、Br)反应进行了理论研究,在MP2/6311+G(d,p)水平上优化得到了反应途径上的反应物、过渡态和产物的几何构型和谐振频率,在MP2/6311++G(3df,2p)和QCISD(T)/6311+G(d,p)水平上进行单点能计算,并用G2MP2方法计算了所有物种的能量.计算结果表明,反应存在三条反应通道:H抽提反应通道a、Cl或Br抽提反应通道b和替代反应通道c.对于N(4S)+CH3Cl反应,a反应通道是主反应通道,b和c反应通道在反应中有少量贡献.对于N(4S)+CH3Br反应,a反应通道是主反应通道,b和c反应通道在反应中有一定的贡献.     

CX2(X=F, Cl, Br)与CH3CHO中C－C键插入和环加成的理论模拟

采用密度泛函[DFT]和自然键轨道理论[NBO]及高级电子耦合簇[CCSD(T)]和电子密度拓扑分析[AIM]方法, 研究了单重态二卤卡宾CX2(X=F, Cl, Br)与乙醛CH3CHO 中C—C键的插入反应及其环加成的反应机理. 在B3LYP/6-31G(d)水平上优化了各驻点构型, 用频率分析和内禀反应坐标法(IRC)对过渡态进行了验证, 计算了各物种的CCSD(T)/6-31G(d, p)单点能量. 用经Wigner校正的Eyring过渡态理论分别计算了1大气压下主反应通道的热力学与动力学性质, 并对反应通道中构型进行了自然键轨道及电子密度拓扑分析. 结果表明, CF2与CH3CHO反应的主产物是P2F[CH3CF2CHO: 插入CH3CHO中C-C键, 反应I(2)], 而CCl2及CBr2与CH3CHO反应的主产物是P1Cl[Cl2COCHCH3: 成环反应II(1)]及P1Br[Br2COCHCH3: 成环反应III(1)], 1大气压下, 反应I(2)和II(1)及III(1)进行的适宜温度范围分别为400~1300K和400~1000K.     

钐(Ⅱ)类卡宾CH3SmCH2X(X=Cl、Br和I)促进乙烯环丙烷化反应途径的理论研究

用密度泛函B3LYP方法研究了过渡金属钐类卡宾与乙烯的环丙烷化反应的机理.对三种不同的钐的SS试剂CH3SmCH2X(其中X=Cl、Br和I)分别和CH2CH2反应的各反应物、中间体、过渡态和产物构型的全部结构几何参数进行了优化,用内禀反应坐标(IRC)计算和频率分析方法,对过渡态进行了验证.结果表明:CH3SmCH2X(其中X=Cl、Br和I)与CH2CH2环丙烷化反应按亚甲基转移通道(通道A)和卡宾金属化通道(通道B)都可以进行,与锂类卡宾的反应机理相同,只是按亚甲基转移通道(通道A)进行反应较容易一些,而且此反应在较低的温度下就可以发生.     

Nature of the band gap of halide perovskites ABX_3(A=CH_3NH_3,Cs;B=Sn,Pb;X=Cl,Br,I):First-principles calculations

The electronic structures of cubic structure of ABX3(A=CH3NH3, Cs; B=Sn, Pb; X =Cl, Br, I) are analyzed by density functional theory using the Perdew–Burke–Ernzerhof exchange–correlation functional and using the Heyd–Scuseria–Ernzerhof hybrid functional. The valence band maximum(VBM) is found to be made up by an antibonding hybridization of B s and X p states, whereas bands made up by the π antibonding of B p and X p states dominates the conduction band minimum(CBM). The changes of VBM, CBM, and band gap with ion B and X are then systematically summarized. The natural band offsets of ABX3 are partly given. We also found for all the ABX3 perovskite materials in this study, the bandgap increases with an increasing lattice parameter. This phenomenon has good consistency with the experimental results.