内嵌金属富勒烯Tcn和Tcn@C70的理论研究

系统地研究了内嵌金属富勒烯Tc_n和Tc_n@C₇₀的平衡态结构、电子和磁性性质．研究表明C₇₀能够内嵌Tc_n团簇(n≤9)．除了Tc₂团簇,当n≤5时,形成内嵌金属富勒烯Tc_n@C₇₀是放热的过程,而当n>5时,这种过程是吸热的．在内嵌过程中,Tc_n团簇的构型和电子结构都发生了相当大的变化．与单独的Tc_n团簇相比,Tc_n@C₇₀的总磁矩明显地降低．对体系的轨道分布,Hirshfeld分布和态密度进行了分析发现,在内嵌金属富勒烯体系里,电子可以通过Tc-C的有效杂化从Tc_n团簇向碳笼转移,从而使得体系的整体磁性降低．     

内掺过渡金属非典型富勒烯M@C22(M=Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni) 几何结构、电子结构、稳定性和磁性的密度泛函研究

采用密度泛函理论中广义梯度近似对非典型富勒烯C₂₂和过渡金属内掺衍生物M@C₂₂(M=Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co和Ni)的几何结构和电子结构进行计算研究.发现非典型富勒烯C₂₂的基态结构是含有一个四碳环的单重态笼状结构.过渡金属原子的掺入明显提高了体系的稳定性. C-M键既有一定共价性又有一定离子性.磁性、能级图、轨道分布和态密度图分析表明: M原子的3d轨道和碳笼的C原子的原子轨道之间存在较强的轨道杂化. Ti, Cr, Fe和Ni内掺的结构出现磁性完全猝灭现象. Sc和碳笼间是弱反铁磁作用, V,Mn和Co与碳笼间是弱铁磁作用.     

Au电极连接富勒烯C32分子的电子结构与传输特性

采用基于密度泛函理论(DFT)和非平衡格林函数(NEGF)的第一性原理方法对富勒烯C₃₂分子及在C₃₂分子的距离最远的两个碳原子处连接Au(1,1,1)电极的分子器件进行了电子结构和电子输运性质的研究.考虑到中间分子与Au电极间距离变化的情况,通过计算得出了在不同距离下分子器件的电子传输谱和I-V特性,分析了各器件的电子结构和电子输运特性产生的原因,并分析了电极与中间分子的连接距离及门电压对分子器件电子输运的影响.得出了电极与所连接的中间分子之     

双金属纳米团簇Au2@Cu6电子结构的稳定性：闭壳层作用和多中心键

采用密度泛函理论方法,研究了近年来实验报道的双金属纳米团簇Au₂@Cu₆的电子结构和成键特征. 一般认为,纳米团簇Au₂@Cu₆中(CuSH)₆环和(Au₂PH₃)₂两部分之间的相互作用可以看作是d¹⁰-σ闭壳相互作用. 然而,化学成键分析表明,两个部分之间存在一个十中心两电子(10c-2e)的多中心键. 将该结构与其他双金属纳米团簇M₂@Cu₆(M=Ag、Cu、Zn、Cd、Hg)做对比分析,结果表明除了d¹⁰-σ闭壳层相互作用外,多中心键也是配合物的电子结构稳定性的原因. 这一结果将为理解闭壳层相互作用提供有利的帮助.     

NaF晶体中电荷补偿掺杂Ce3+离子光谱性质的从头算

用从头算研究NaF晶体中Ce³⁺占据Na⁺格位时的光谱性质,电荷补偿由占据格位第一配位壳层的两个氟原子被氧取代 (O_F^') 或第二配位壳层的两个Na空位(_Na^') 来提供. 首先采用基于DFT的超单胞模型方法优化了Ce³⁺的局域结构,并构造以Ce为中心的镶嵌团簇,对其进行基于波函数理论的CASSCF/CASPT2/RASSI-SO计算,获得Ce³⁺的4f¹和5d¹组态分裂能级能量. 通过将4f→5d跃迁能量计算值与低温实验激发光谱比较,发现实验观测到的最低4f→5d跃迁谱带(390 nm)来自于两个最近邻O_F^'补偿的Ce³⁺离子,并不是文献中的两个次近邻V_Na^' 补偿的Ce³⁺. 最后从5d¹组态能级重心位移和晶场分裂两方面分析了由两个最近邻O_F^'取代造成最低4f→5d 跃迁红移约8000 cm^-1的原因.     

K3C60取向相变的同步辐射光电子谱研究

在190K,220K和300K3个不同温度下测量了K₃C₆₀单晶薄膜沿[111]方向发射的同步辐射角分辨光电子谱.样品温度为190K时,能够观察到导带有规律的角散,并且带结构与已报道的温度为150K时的结果基本一样.而在220K附近,导带的许多子峰消失,色散不再存在.这两个温度的实验结果与K₃C₆₀在200K存在取向相变相符合,并且可在反铁磁Ising模型基础上得到理解.这种模型的定量分析结果还首次对K₃C₆₀在200K的相变机理作出了解释,即相变是由低温下的一维无序取向结构转变为200K以上的双取向结构畴与无序分子(约占40%)的混合.室温光电子谱与低温下的结果显著不同,对应于C₆₀分子取向在室温附近的动态无序.     

共沉淀ZnO/γ-Al2O3体系EXAFS研究

用XRD和EXAFS研究了200°C,300°C,450°C,800°C焙烧的共沉淀ZnO/γ-Al₂O₃体系.通过EXAFS分析得到了Zn原子的径向分布函数,并针对第一配位层做了定量的拟合,结果是体系中第一层锌氧Zn-O保持ZnO中的四配位结构.文中还对第二层配位峰的变化趁势做了分析.     

Zn在水锰矿和δ-MnO2表面吸附结构的EXAFS研究

用延展X射线吸收精细结构光谱(EXAFS)研究了重金属Zn(Ⅱ)在水锰矿(γ-MnOOH)和δ-MnO₂表面吸附产物的微观结构.结果表明,在0.1M NaNO₃介质中,pH7.5时Zn(Ⅱ)离子主要是通过共用水合Zn离子的氧原子及水锰矿表面上的氧原子结合到水锰矿固体表面上.第一配位层(Zn-O层)的Zn-O原子平均间距为2.00±0.01A,该键长是由于六配位的Zn(H₂O)₆²⁺及其四配位的水解产物Zn(OH)₂或Zn(OH)₄^2－以一定比例混合吸附于水锰矿表面面形成的.第二配位层(Zn-Mn层)存在两个Zn-Mn原子间距,即R₁=3.07±0.02A和R₂=3.54±0.02,分别对应水锰矿结构单元MnO₆八面体与Zn-O多面体两种结合方式:共用两个氧原子的边边结合和共用一个氧原子的角-角结合.pH5.50时,吸附在δ-MnO₂表面上Zn²⁺以六配位的八面体水合离子形式存在.水合锌离子八面体从δ-MnO₂层状结构的空位上下方,与δ-MnO₂的结构单元MnO₆八面体通过共用O原子给合,形成角-角结合的弱吸附.Zn-O原子平均间距为2.07±0.01A,Zn-Mn平均原子间距为3.53±0.01A.EXAFS分析表明,Zn在水锰矿表面吸附不可逆性较强,而在δ-MnO₂表面吸附很可逆,这与Zn和两种锰矿间的结合方式有关.     

Al掺杂的尖晶石型LiMn2O4的结构和电子性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 在广义梯度近似(GGA)和GGA+U方法下对尖晶石型LiMn₂O₄及其Al掺杂 的尖晶石型LiAl_0.125Mn_1.875O₄晶体的结构和电子性质进行了计算. 结果表明: 采用GGA方法得到尖晶石型LiMn₂O₄是立方晶系结构, 其中的Mn离子为+3.5价, 无法解释它的Jahn-Teller 畸变. 给出的LiMn₂O₄能带结构特征也与实验结果不符. 而采用GGA+U方法得到在低温下的LiMn₂O₄和其掺杂 体系LiAl_0.125Mn_1.875O₄的晶体都是正交结构, 与实验一致. 也能明确地确定Mn的两种价态Mn³⁺/Mn⁴⁺的分布并且能够说明Mn³⁺O₆的z方向有明显的Jahn-Teller 畸变, 而Mn⁴⁺O₆则没有畸变. LiMn₂O₄的能带结构与实验比较也能够符合. 采用GGA+U方法对Al掺杂体系的LiAl_0.125Mn_1.875O₄的研究表明, 用Al替换一个Mn不会明显地改变晶体的电子性质, 但可以有效地消除Al³⁺O₆ 八面体的Jahn-Teller畸变, 从而改善正极材料LiMn₂O₄的性能, 这与电化学实验的观察结果相一致.     

CO和O2分子与TiO2(110)表面负载Pt单原子的相互作用

Pt单原子在低温CO氧化反应中具有很高的催化活性. 利用扫描隧道显微术与密度泛函理论,研究了Pt单原子在还原性TiO₂(110)表面的吸附行为及其与CO和O₂分子的相互作用. 研究发现在80 K低温下,TiO₂表面的氧空位缺陷是Pt单原子的最优吸附位. 将CO和O₂分子分别通入Pt单原子吸附后的TiO₂表面,研究相应的吸附构型. 实验表明在低覆盖度下,单个Pt原子会俘获一个CO分子,CO分子同时与表面次近邻的五配位Ti原子(Ti_5c)成键,进而形成非对称的Pt-CO 复合物构型. 将样品从80 K升温到100 K后,TiO₂表面的CO分子会迁移到Pt-CO处形成Pt-(CO)₂的复合结构. 对于O₂分子,单个Pt原子同样会吸附一个O₂分子,O₂分子也会与最近邻或次近邻的Ti_5c原子成键形成两种Pt-O₂构型. 这些结果在单分子尺度上揭示了CO和O₂与Pt单原子的相互作用,呈现了CO与O₂反应中的初始状态.     

共轭低聚物中光生分子间电荷转移态的第一性原理研究

本文基于第一性原理中的Heyd-Scuseria-Ernzerh方法研究了单层In_1-xGa_xN的电子结构和光学性质.计算得到单层In_1-xGa_xN的能带结构和态密度（DOS）,发现随着掺杂比例的变化,体系带隙的变化范围是1.8~3.8 eV,表明通过Ga的掺杂可以实现体系带隙值的调节.并且还研究了单层In_1-xGa_xN的介电函数,折射率和吸收系数等光学性质,结果表明随着Ga掺杂浓度的增加,介电函数谱的主峰和吸收谱发生了显著的蓝移.此外,基于能带结构和态密度图谱,对单层In_1-xGa_xN的光学性质进行分析,预测这种材料独特的光学性质在纳米电子学和光学器件中会有广泛的应用.     

C掺杂锐钛矿相TiO2吸收光谱的第一性原理研究

运用第一性原理,对C掺杂锐钛矿相TiO₂的电子结构进行了研究,从能带结构理论解释了C掺杂TiO₂吸收光谱的一些实验现象.发现在C掺杂后的锐钛矿相TiO₂的禁带宽度增大,并且在带隙中出现了杂质能级,这些杂质能级主要是由C 2p轨道上的电子构成的,它们之间是独立的,正是这些独立的杂质能级使TiO₂掺杂后可以发生可见光响应.价带上的电子可以吸收一定能量的光子跃迁到杂质能级,而杂质能级上的电子也可以吸收一定能量的光子跃迁到导带,所以从理论上可以计算出掺杂后的TiO₂在可见光范围内存在两个吸收边,与实验中所得到的现象相一致.     

过渡金属(Fe,Co,Ni,Zn)掺杂金红石TiO2的电子结构和光学性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对未掺杂以及不同浓度过渡金属Fe,Co,Ni,Zn掺杂金红石TiO₂的超晶胞体系进行了几何优化,并讨论了其晶格常数,电子能带结构和光学性质.研究结果表明:掺杂前后的晶格参数与实验值偏差在3.6%以下;适量的过渡金属掺杂不但影响体系能带结构,拓宽光吸收范围,而且扮演着俘获电子的重要角色,有利于光生电子-空穴对的有效分离以及增强光吸收能力;Fe,Co,Ni,Zn最佳理论掺杂体系分别为Ti_0.75Fe_0.25O₂,Ti_0.75Co_0.25O₂,Ti_0.75Ni_0.25O₂,Ti_0.83Zn_0.17O₂;Fe,Co,Ni3d态分裂为t_2g和e_g态,分别贡献于价带高能级和导带低能级部分,促进了电子-空穴对的生成,从而可提高TiO₂的光催化性能;Zn3d态电子成对填满轨道,不易被激发,故光催化活性无明显提高.     

Ni基金属间化合物第一性原理研究

稀土(R)-过渡族(T)金属间化合物具有优异的物理和化学性质.本研究考虑电子自旋极化作用,基于第一性原理的全电子投影缀加平面波赝势法理论,采用局域自旋密度近似(LSDA),对Ni₁₃Nd₃B₂金属间化合物进行结构优化,计算体系晶格常数、电子结构和磁性能.结果表明,Ni₁₃Nd₃B₂为带隙很小的金属导体.LSDA近似下体系原子间存在复杂作用类型,Nd原子与近邻Ni,B原子以离子键作用为主,Ni原子与近邻Ni原子间表现共价作用情形.体系存在Nd-Ni铁磁耦合,总磁矩约8.4329μB,主要由Nd原子磁矩提供,自旋极化引起的体系Nd-4f,Ni-3p,Nd-5p电子自旋劈裂为体系表现磁性的根本原因.     

金银三层纳米管局域表面等离激元共振特性研究

相对于单一金属纳米材料,二金属复合纳米材料具有更大的潜在应用价值.基于时域有限差分方法,研究了SiO₂-Ag-Au和SiO₂-Au-Ag二金属三层纳米管的消光光谱,并对其局域表面等离激元共振(Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR)特性进行了分析.研究发现,内核尺寸变大将导致上述两种金属纳米管LSPR峰红移;内层金属及外层金属壳层厚度增大均会导致其LSPR峰蓝移.银壳厚度变化对纳米管LSPR的调制作用大于金壳厚度变化造成的影响.上述现象可以利用等离激元杂化理论及自由电子和振荡电子变化的竞争机制进行分析.     

Cu(L-His)2溶液配位结构的X射线吸收精细结构分析

采用X射线吸收精细结构分析(XAFS)方法分析Cu(His)₂复合物的配位模式,通过测定不同pH值下的铜的K边XAFS吸收谱,研究Cu(His)₂第一配位壳层的结构．为了更准确地验证Cu(His)₂配位结构,对组氨酸的羧基和咪唑分别进行了化学修饰．研究结果明确了在不同pH环境下组氨酸的羧基、氨基和咪唑的配位情况．对于争议最大的在生理pH值下组氨酸的配位方式,其结果更支持六配位模式,同时可能有少量的五配位模式配合物平衡存在.     

利用天然磁铁矿简易绿色合成磁性Fe3C@C纳米材料

采用改进的溶胶凝胶法,以天然磁铁矿为铁源,开发出一种制备过程简单且环境友好且低成本的磁性Fe₃C@C纳米材料制备策略. 其中,柠檬酸作为多元羧酸络合剂,不但可以有效地溶解不同铁源,例如Fe、Fe₃O₄或天然磁铁矿,形成柠檬酸铁盐络合物;还可以在热解过程中作为碳源,形成包裹碳层. 通过控制高温热解过程可以直接形成特殊的核-壳结构形态. Fe₃C@C纳米材料具有超顺磁性特性(38.09 emu/mg).     

Fullerenes磁化率的各向异性特性研究

采用规范不变分子轨道理论给出磁化率的计算公式,对C₆₀,C₇₀,C₇₆,C₇₈,C₈₂和C₈₄等π电子的磁化率进行了计算.计算结果显示出富勒烯(Fullerene)有较大的抗磁磁化率,并且具有椭球形状的富勒烯,如C₇₀,C₇₆等的抗磁磁化率表现出明显的各向异性特性.     

FePc与TiO2(110)及C60界面电子结构研究

基于C₆₀受体和有机分子给体的太阳能电池是目前非常重要的一个研究热点, 利用同步辐射真空紫外光电子能谱(SRUPS) 技术研究了酞菁铁(FePc)与TiO₂(110)及C₆₀的界面电子结构, 以及FePc与C₆₀分子混合薄膜的电子结构. SRUPS价带谱显示, FePc沉积在化学计量比与还原态两种不同的TiO₂(110)表面时, FePc分子的HOMO能级均随FePc厚度的变化发生了移动, 而在化学计量比的TiO₂(110)表面位移较大, 同时发生界面能带弯曲, 说明存在从有机层向衬底的电子转移. 在FePc/C₆₀和C₆₀/FePc界面形成过程中, FePc与C₆₀分子的最高占据分子轨道(HOMO)位移大小基本相同. 由界面能级排列发现, 在FePc与C₆₀的混合薄膜中, FePc分子的HOMO与C₆₀分子的最高占据分子轨道能级差较大, 这有利于提高器件开路电压, 改善器件性能.     

Heusler合金Li2AlX(X=Ga，In)的晶格动力学和电子特性

本文计算了Heusler合金Li₂AlGa和Li₂AlIn的晶格参数、体积模量、体积模量的一阶导数、 电子能带结构、声子色散曲线和声子态密度,并与密度泛函理论中的广义梯度近似计算结果进行比较. 计算的晶格参数与文献有很好的一致性. 两个Heusler合金的电子能带结构表明它们是半金属结构. 并利用声子色散曲线和声子密度图研究Heusler合金晶格动力学. Li₂AlGa和Li₂AlIn Heusler合金在基态呈现动力学稳定.