Density Functional Theory Study on Electronic and Magnetic Properties of Mn-doped (MgO)n (n=2-10) Clusters

We study the geometries, stabilities, electronic and magnetic properties of (MgO)_n (n=2-10) clusters doped with a single Mn atom using the density functional theory with the gener-alized gradient approximation. The optimized geometries show that the impurity Mn atom prefers to replace the Mg atom which has low coordination number in all the lowest-energy MnMg_n-1O_n (n=2-10) structures. The stability analysis clearly represents that the aver-age binding energies of the doped clusters are larger than those of the corresponding pure (MgO)_n clusters. Maximum peaks of the second order energy differences are observed for MnMg_n-1O_n clusters at n=6, 9, implying that these clusters exhibit higher stability than their neighboring clusters. In addition, all the Mn-doped Mg clusters exhibit high total magnetic moments with the exception of MnMgO₂ which has 3.00 μB. Their magnetic be-havior is attributed to the impurity Mn atom, the charge transfer modes, and the size of MnMg_n-1O_n clusters.     

ZnO氧缺陷的电子结构和光学性质

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法对ZnO_0.875的电子结构和光学性质进行了计算. 用第一性原理对含氧空位的ZnO晶体进行了结构优化处理, 计算了完整的和含氧空位的ZnO晶体的电子态密度. 结合精确计算的电子态密度分析了带间跃迁占主导地位的ZnO_0.875 材料的介电函数、吸收系数、折射系数、湮灭系数和反射系数, 并对光学性质和极化之间的联系做了详细讨论. 结果表明ZnO_0.875晶体是单轴晶体, 并且在低能区域存在因氧缺陷而造成的一些特性. 我们的研究结果为ZnO的发光特性提供新的视野, 同时为ZnO的光电子材料的设计和应用提供理论基础.     

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.     

Li和Al掺杂的MgO(001)表面负载W3O9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.     

InAs管状团簇及单壁InAs纳米管的结构、稳定性和电子性质

采用密度泛函理论研究了InnAsn (n≤90)管状团簇以及单壁InAs纳米管的几何结构、稳定性和电子性质. 小团簇InnAsn (n=1-3)基态结构和电子性质的计算结果与已有报道相一致. 当n≥4时优化得到了一族稳定的管状团簇, 其结构基元(In原子与As原子交替排列的四元环和六元环结构)满足共同的衍化通式. 团簇的平均结合能表明横截面为八个原子的管状团簇稳定性最好. 管状团簇前线轨道随尺寸的变化规律有效地解释了一维稳定管状团簇的生长原因, 同时也说明了实验上之所以能合成InAs纳米管的微观机理. 此外, 研究结果表明通过管状团簇的有效组装可得到宽带隙的InAs半导体单壁纳米管.     

Effect of Pressure on Electronic Structures and Optical Properties of Rocksalt InN

The electronic structures and optical properties of rocksalt indium nitride (InN) under pres-sure were studied using the first-principles calculation by considering the exchange and cor-relation potentials with the generalized gradient approximation. The calculated lattice con-stant shows good agreement with the experimental value. It is interestingly found that the band gap energy E_g at the Γ or X point remarkably increases with increasing pressure, but E_g at the L point does not increase obviously. The pressure coefficient of E_g is calculated to be 44 meV/GPa at the Γ point. Moreover, the optical properties of rocksalt InN were calculated and discussed based on the calculated band structures and electronic density of states.     

噻唑类生色分子的电子光谱和非线性光学性质

在B3LYP/6-31+G*水平上对八种噻唑类生色分子的电子光谱与二阶非线性光学性质茁进行计算研究. 结果表明, 含羟乙基、烷氧乙基、氟乙基和氨乙基活性基团的噻唑类分子具有大的β值, 为1.6×10-28 esu左右, 与实验结果基本一致. 气相中的最大吸收波长λmax位于480-488 nm范围内. 含羟乙基活性基团的噻唑分子, 随溶剂极性增大, λmax有红移趋势.     

Structural and electronic properties of hydrated MgO nanotube clusters

Hydrated MgO nanotube clusters are constructed and studied by the density functional theory at the B3LYP/6-31G(d) level. A strong exothermicity chemisorption reactivity of MgO nanotube clusters with water, which releases 137.5–171.8 kJ/mol. The averaged charge of Mg ions is steady, and presents a stronger ionic bonding. Mg ions are more sensitive to the coordination number. For the reaction of water onto clusters, electronic properties of hydrated clusters have remarkable change compared with anhydrous clusters.     

Selective Sensing Characteristics of Ca Doped BeO Nano-sized Tube toward H20 and NH3

By means of density functional calculations, the structural and electronic properties of chemical modification of pristine and Ca-doped BeO nanotubes were investigated with NH3 and H20 molecules. It was found that the NH3 and H20 molecules can be adsorbed on the Be atom of the tube sidewall with the adsorption energies of about 36.1 and 39.0 kcal/mol, respectively. Density of states analysis shows that the electronic properties of the BeONT are slightly changed after the adsorption processes. Substitution of a Be atom in the tube surface with a Ca atom increases the adsorption energies by about 7.4 and 14.7 kcal/mol for NH3 and H20, respectively. Unlike the pristine tube, the electronic properties of Ca-doped BeONT are sensitive to NH3 and H20 molecules. Also, the Ca-doped tube is much more sensitive to H20 molecule than NH3 one.     

BaTiO3的电子结构和光学性质

采用第一性原理赝势平面波方法, 在局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)下分别计算了BaTiO3立方相和四方相的电子结构, 并在局域密度近似下计算了BaTiO3立方相的光学性质. 结果表明, BaTiO3立方相和四方相都为间接带隙, 方向分别为Γ-M和Γ-X, 大小分别为2.02和2.20 eV. 对BaTiO3和PbTiO3铁电相短键上电子布居数的对比分析, 给出了它们铁电性大小的差别. 且在30 eV的能量范围内研究了BaTiO3 的介电函数、吸收系数、折射系数、湮灭系数、反射系数和能量损失系数等光学性质,并基于电子能带结构对光学性质进行了解释. 计算结果与实验数据相符合.     

Fe/Cr超晶格的电子结构和磁性质

应用密度泛函全势线性缀加平面波(FLAPW)方法研究了Fem/Crn (m=3, 4; n=1, 3, 4)超晶格的电子结构和磁性质. 结果表明, Fe3/Cr1和Fe3/Cr3体系的基态中, Fe层间存在铁磁耦合; 而Fe4/Cr4体系基态中, 存在反铁磁耦合; Cr层的磁矩方向交替变化, 交界面上的Fe和Cr间存在反铁磁耦合.     

PdSi_n(n=1～15)团簇电子结构与光谱性质的理论研究

在卡里普索(CALYPSO)结构预测的基础上,采用密度泛函理论(DFT)B3LYP方法,优化得到PdSi_n(n=1~15)团簇的基态结构,对其电子性质、红外光谱和拉曼光谱进行了讨论.结果表明,PdSi_n(n=1~15)团簇的基态构型随n值的增大由平面结构向立体结构演化;当n≤4时,PdSi_n团簇的红外与拉曼活性在450~500 cm-1范围内表现较好,当n≥5时,PdSi_n团簇的红外与拉曼活性在50~500 cm~(-1)范围内表现较好.     

镍镁铝类水滑石的超分子结构、电子性质及稳定性

以Ni²⁺同晶取代Mg²⁺的方式构建镍镁铝类水滑石(HT)的周期性计算模型, 通过进行密度泛函理论计算,研究了含镍水滑石的的超分子结构、电子性质及稳定性. 结果表明, 随着镍离子逐渐取代镁离子, 金属离子之间的平均距离逐渐减小, 层间距逐渐增大, 与实验结果一致. 与此同时, 电子逐渐从主体层板向客体阴离子传递,导致主客体之间的静电作用力及整体超分子作用力逐渐增强, 结合能的绝对值逐渐增大, 体系的稳定性增加.在微观结构上, 电子传递行为使层板中平均金属―氧键键长逐渐减小, 且金属配位角的畸变情况得到一定程度的缓解, 这些变化都有利于形成更稳定的体系, 说明镍铝类水滑石在理论上比镁铝水滑石更稳定.     

Ge@C82结构及性质的理论研究

采用密度泛函理论方法,对Ge@C82的结构及性质进行计算研究.结果表明,由于包合Ge,C82碳笼平均键长增长,碳笼增大,而且Ge原子略微偏离碳笼中心.三重态的C2Ge@C82为能量最低结构.自然布居分析表明,C2C82与Ge之间未发生电子转移,可以用C2Ge@C82来表示它的结构.C2C82和C2Ge@C82的红外光谱计算结果显示,二者的主要区别为C2Ge@C82在1100～1200 cm-1区间的吸收峰变得更尖锐.     

Cu掺杂MgF2晶体的电子结构及光学特性

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了纯的MgF2晶体和掺杂不同原子分数(2.08%,4.16%,6.24%)Cu的MgF2晶体结构、电学性质以及光学性质.结果表明:Cu的掺入导致MgF2晶体禁带宽度逐渐变窄,并且Cu掺杂使得MgF2晶体折射率和吸收峰增加,特别是在4eV附近区域出现了新吸收峰.同时也给出了引起体系性质变化的物理机制,Cu掺杂MgF2晶体在光电化学方面有着潜在的应用价值.     

Electronic structures of tetragonal nitrido and nitrosyl metal complexes

The standard oxidation states of central metal atoms in C _4v nitrido ([M(N)(L)₅] ^z ) complexes are four units higher than those in corresponding nitrosyls ([M(NO)(L)₅] ^z ) (L=CN: z = 3−, M = Mn, Tc, Re; z = 2−, M = Fe, Ru, Os; L = NH₃: z = 2+, M = Mn, Tc, Re; z = 3+, M = Fe, Ru, Os). Recent work has suggested that [Mn(NO)(CN)₅]³⁻ behaves electronically much closer to Mn(V)[b ₂(xy)]², the ground state of [Mn(N)(CN)₅]³⁻, than to Mn(I)[b ₂(xy)]²[e(xz,yz)]⁴. We have employed density functional theory and time-dependent density functional theory to calculate the properties of the ground states and lowest-lying excitations of [M(N)(L)₅] ^z and [M(NO)(L)₅] ^z . Our results show that [M(N)(L)₅] ^z and [M(NO)(L)₅] ^z complexes with the same z value have strikingly similar electronic structures.     

丁吡吗啉与其苯基类似物的电子结构特征比较

通过化学合成获得丁吡吗啉及其苯基类似物,并对其杀菌活性进行了比较.借助X射线晶体衍射方法,对丁吡吗啉的结构进行了解析.进一步选择6-31G(2df,2pd)基组,利用密度泛函理论B3LYP方法对丁吡吗啉及其苯基类似物的空间几何结构进行优化,借助前线分子轨道、Mulliken电荷、自然键轨道(NBO)分析、表观静电势等对丁吡吗啉及其苯基类似物的电子结构与其杀菌活性相关性进行了理论探讨.结果表明吡啶环取代苯环后,一方面吡啶环上的N原子是一个负电中心,有利于与受体分子间形成氢键等相互作用;另一方面,吡啶环又是一个缺电子的芳环,与苯环相比,在与受体的π-π相互作用中能起到更好的电子接受体的作用.这两种因素使得丁吡吗啉更容易与受体结合,因而活性更高.     

含有Pt―Pt键金属配合物的电子结构和二阶非线性光学性质

采用量子化学密度泛函理论(DFT)结合有限场(FF)的方法对一系列含有Pt―Pt键金属配合物的电子结构和二阶非线性光学(NLO)性质进行了理论计算. 结果表明改变共轭配体对Pt―Pt键影响不大. 由配体到Pt―Pt金属基团的电荷转移强度随配体增长而变大. 金属配合物静态一阶超极化率随配体的增长而增大, 配合物电荷的改变基本不影响这类化合物的二阶NLO性质. 具有相对长的共轭配体的配合物IId具有最大的二阶NLO响应. 含时密度泛函理论(TD-DFT)计算表明配合物IId的二阶NLO响应来自于混有配体到金属的配体内的π→π^*电荷转移跃迁的贡献.     

8-羟基喹啉银(铂)金属配合物电子光谱与非线性光学性质

运用密度泛函理论B3LYP方法对8-羟基喹啉(银、铂)(AgQ、PtQ₂)金属配合物及其衍生物的非线性光学性质进行理论计算研究. 结果表明: 引入取代基使铂配合物的最强吸收波长产生较大红移. 最低能量跃迁吸收来自最高占据分子轨道(HOMO)到最低空分子轨道(LUMO)的d→π^*和π→π^*跃迁, 属于金属配体电荷转移(MLCT)与配体配体电荷转移(LLCT). 金属银和铂掺杂8-羟基喹啉使其三阶非线性光学系数γ值明显增大, 并且在配合物上引入―Ph, ―PhOCH₃, ―PhF₂, ―PhF₅基团将进一步增大γ值. 引入基团的供电子性越强, γ值增大的幅度越大, 引入基团的吸电子性越强, γ值增大的幅度越小.     

锇杂苯的电子结构及芳香性

使用密度泛函理论及片段轨道相互作用分析方法,研究了典型的锇杂苯的电子结构和芳香性.结果表明,锇碳六员环具有较好的环平面性及键的离域性,占据的锇dxz轨道与碳环的3π空轨道之间的反馈π键相互作用,使得环上离域π电子数满足Hückel的4n+2规则,计算的环外质子化学位移、同键反应芳香性稳定化能、绝对硬度和磁化率增量数据均表明锇杂苯具有芳香性.