钪原子及超碱金属掺杂的X12Y12十四面体团簇和石墨二炔的理论研究

作     者：任丽蓉 

作者单位：山西师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张坚

授予年度：2021年

学科分类：07[理学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 070205[理学-凝聚态物理] 0703[理学-化学] 0702[理学-物理学] 

主      题：密度泛函理论 超原子 石墨二炔 X12Y12十四面体 非线性光学 掺杂 

摘      要：近半个世纪以来,对纳米团簇的理论研究在吸附、催化剂、气体传感器、化学物质储存、半导体、非线性光学等领域有很大的前景。与XY团簇的其他构象相比,他们的球形十四面体结构最为稳定,XY纳米团簇的十四面体结构是由八个六边形和六个四边形组成的截断八面体,该团簇结构完美,具有较高的对称性和稳定性。作为碳的同素异形体的石墨二炔(GDY)具有丰富的碳化学键,大共轭体系,宽的层间距等特点,因此显示出了各种特性如:导电性、非线性光学灵敏度,耐热性等。这些特性使得GDY可以广泛应用于电子设备、探测器、气体储存、水净化和癌症治疗。超原子是一种特殊的团簇,是由几个甚至几十个原子构成的具有与元素周期表中的元素类似的化学性质或者相同的电子结构。超碱作为超原子十分重要的一部分,超碱的电离势比碱金属还低,因而具有更强的还原性。本文将对上述提到的石墨二炔和XY团簇进行掺杂,得到新的配合物。本文对以下三组掺杂体系进行了量子化学理论计算研究。(1)Sc掺杂XY型十四面体纳米团簇的理论研究在该研究中,我们从理论上研究了13组XY团簇及Sc掺杂该团簇的几何、电子和非线性光学性质。我们计算了这13组纳米团簇的能隙值、电离势、化学势、化学硬度以及一些表征非线性光学性质的值。比较了Sc掺杂对纳米团簇的化学稳定性、电导率和非线性光学(NLO)性能的影响。结果表明:掺杂后的团簇的第一超极化率大大提高,表明它可以作为一种良好的非线性光学材料。(2)超碱金属掺杂MgO十四面体纳米团簇的理论研究在该研究中,我们从理论上研究了超碱金属(LiF、LiCl、LiBr、LiI、KO、CLi、NLi)掺杂MgO配合物的几何、电子和非线性光学性质。计算结果表明掺杂后的纳米团簇的能隙值和化学硬度均减小,表明掺杂后团簇的反应活性增强。当超碱金属掺杂MgO纳米团簇时,第一超极化率值有了很明显的增大,其中非线性光学响应最强的是MgO@LiBr。(3)超碱金属掺杂石墨二炔配合物的理论研究在该部分,我们从理论上,系统地研究了超碱金属(CsCl、CsF、PLi、NLi)和NH掺杂石墨二炔所形成的配合物的几何、电子和非线性光学(NLO)性质的变化。我们通过相互作用能和垂直电离能判断配合物的稳定性;通过NBO分析、能隙值和电荷转移分析了电子性质;我们基于Multiwfn软件分析了极化率和第一超极化率值,使用双能级公式分析了第一超极化率与时间相关性质之间的关系。理论计算结果表明超碱掺杂GDY的研究有利于促进新型电子纳米器件和非线性光学材料的潜在应用的研究。