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碳簇结构及其光谱性质的理论研究

作　者: 张聪杰
导　师: 曹泽星；张乾二
学　校: 厦门大学
专　业: 物理化学
关键词: 光谱性质碳簇理论研究 Kekule结构碳纳米管解析关系式碳纳米粒子异构化过程势能面石墨碎片
分类号: O613.71
类　型: 博士论文
年　份: 2002年
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内容摘要

碳簇，从几个原子的团簇到C₆₀、C₇₀的微粒以及碳纳米管等，有许多的存在形式，是一类非常重要的体系。近年来，碳簇的实验与理论研究引起了人们的极大兴趣，并在碳簇的制备、表征和性能研究等领域取得了很大的进展。随着研究的深入，涉及碳簇科学的一些基本问题：如C₆₀和碳纳米管的形成机理，碳簇幻数特征峰的内在原因，星际空间中DIBs谱带与碳簇的关联等开始受到关注，期待着人们的解答。本文通过量子化学计算对碳簇的结构、稳定性和光谱性质进行了理论探讨，研究工作主要包括三个方面： 1．直链碳簇的理论研究实验上关于线性碳链HC_nH，C_2nH和C_2n-1N光谱性质的研究比较完整，但缺乏相应的理论研究。我们应用密度泛函理论（DFT）优化了HC_2nH（n=1-13）和HC_2n+1H（n=2-12）的基态平衡几何构型，计算了它们的振动频率。用含时密度泛函理论方法（TD-DFT）和ab initio CASPT2方法对HC_2nH（n=1-5）的X¹∑_g⁺→1¹∑_u⁺和HC_2n+1H（n=2-5）X³∑_g^-→1³∑_u^-的垂直激发能进行了计算。计算结果表明：（1）奇数碳链HC_2n+1H的激发能所对应的波长与链长n成线性关系，即λ₀=A+Bn；（2）偶数碳链HC_2nH的激发能所对应的波长与链长n成非线性关系，即这些解析的λ-n关系式可以定量地预测这两类碳链体系的电子光谱。进一步的分析表明，由于这两类碳链体系基态与激发态成键性质上的差异，导摘要导致了不同的无n光谱行为。类似的计算研究拓展到了线性碳链CZnH和CZn.IN，并获得了对应的补n解析关系式。在DFT和ab initio水平上，应用有限场计算方法对HCZnH和HCZ。、，H的静态极化率进行了计算。基于HF计算结果，建议了HCZnH和HCZn+IH经向静态极化率与n的对数解析关系式和纬向静态极化率对n的线性解析关系式。我们给出的对数解析关系式A（n）二anIn（b才+c）优于其它理论计算结果所得到的指数关系式A（n）=an”. 为了了解碳链光异构化行为，应用DFT和ab initio电子相关方法对CSHZ三态和单态势能面上的异构化过程进行了理论计算研究。计算表明，C尹:的异构化过程容易在三态势能面进行，在单态势能面上直接的l，3氢迁移非常困难。2.遗传算法对碳簇几何结构的优化利用遗传算法（GA）在B^r势能面上对C。（n二2一30）进行了结构优化和平均结合能计算。模拟计算表明:当n<6时，C。是直线型的结构;当6立<13时，C。是平面单环结构;n=13，14时，C。是平面双环结构;当n>14时，开始出现多环结构，其中C加为碗状结构，C28.是唯一的fuuerene结构，与量子Monte Carl。和abl’nitio预测的结果完全一致。3.C6。和碳纳米管生长机理研究依据共振论，假定Kekule结构数对碳簇稳定性起重要作用，体系Kekule结构数越多，体系越稳定。应用这一Kekule结构数与共辘体系稳定性关系的假定，以及对石墨碎片、碳纳米粒子、碳纳米管、戴帽碳纳米管等体系Kekule结构数的计算，合理地解释了石墨碎片在高温下的卷曲、可能的卷曲方式及封闭碳纳米管和类洋葱碳纳米粒子形成的实验现象;建摘要议了C6。和碳纳米管的可能形成方式;解释了（n，n）纳米管形成的可能原因。对于具有相似Kekule结构数的笼状构型，其结构的表面曲率（近似用体积与表面积比表示）对其结构稳定性的影响不能忽略，结合量子化学计算，合理地解释了C60最稳定的笼状结构具有I。对称性。

全文目录

中文摘要  6-9
英文摘要(Abstract)  9-13
第一章绪论  13-27
  1 碳簇研究现状  13-21
    1.1 光谱性质  13-18
    1.2 结构与稳定性  18-19
    1.3 Fullerene与碳纳米管  19-21
  2 本论文拟解决的问题  21-22
  参考文献  22-27
第二章量子化学计算方法简介  27-37
  1 CASSCF方法  27
  2 CASPT2方法  27-28
  3 DFT方法  28-29
  4 TD-DFT方法  29-32
  5 聚乙烯分子体系激发能的价键(VB)模型  32-36
  参考文献  36-37
第三章聚炔烃电子吸收光谱的理论研究  37-54
  1 研究现状  37-38
  2 计算方法  38-39
  3 结果与讨论  39-50
    3.1 几何结构和谐振频率  39-44
    3.2 HC_(2n)H的电子激发  44-47
    3.3 HC_(2n+1)H的电子激发  47-49
    3.4 HC_(2n)H和HC_(2n+1)H电子激发的比较  49-50
  4 小结  50-51
  参考文献  51-54
第四章 C_(2n)H和C_(2n-1)N电子吸收光谱的理论研究  54-66
  1 研究现状  54-55
  2 计算方法  55
  3 结果与讨论  55-62
    3.1 几何结构和谐振频率  55-59
    3.2 C_(2n)H的电子激发  59-60
    3.3 C_(2n-1)N的电子激发  60-62
    3.4 C_(2n)H和C_(2n-1)N电子激发的比较  62
  4 小结  62-64
  参考文献  64-66
第五章聚炔烃静态极化率的理论研究  66-79
  1 研究现状  66-67
  2 聚炔烃静态极化率的理论计算  67-68
  3 偶数聚炔烃链HC_(2n)H  68-73
    3.1 理论计算的静态极化率  68-69
    3.2 静态极化率与n的解析关系  69-73
  4 奇数聚炔烃链HC_(2n+1)H  73-76
    4.1 理论计算的静态极化率  73-74
    4.2 静态极化率与n的解析关系  74-75
    4.3 外推性质  75-76
  5 小结  76-77
  参考文献  77-79
第六章 C_5H_2在单三势能面上的异构化机理  79-86
  1 研究现状  79-80
  2 计算方法  80-81
  3 结果与讨论  81-84
    3.1 几何结构  81-82
    3.2 三态势能面上的异构化机理  82-84
    3.3 单态势能面上的异构化机理  84
  4 小结  84-85
  参考文献  85-86
第七章应用遗传算法对C_n的结构优化  86-99
  1 遗传算法  86-87
    1.1 定义  86
    1.2 特点  86
    1.3 编码与交叉算子  86-87
    1.4 局部优化的作用  87
  2 C_n的结构优化  87-96
    2.1 研究现状  87-89
    2.2 理论方法  89-90
    2.3 结果与讨论  90-96
  3 小结  96-97
  参考文献  97-99
第八章 C_(60)和碳纳米管生长机理的探讨  99-111
  1 石墨碎片在高温下的行为  99-100
  2 石墨碎片状的卷曲方式  100-105
  3 笼状C_(60)异构体稳定性与V／S的关系  105-107
  4 小结  107-108
  5 附录  108-109
  参考文献  109-111
在学期间发表论文情况  111-113
致谢  113

碳簇结构及其光谱性质的理论研究

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