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超原子分子理论若干概念及其在配体包覆金属团簇中的应用

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摘要

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 密度泛函理论

1.2.2 Hohenberg-Kohn定理

1.2.3 Kohn-Sham方程

1.2.4 交换相关能泛函

1.3 团簇稳定性相关理论

1.3.1 凝胶模型(Jellium model)

1.3.2 多面体骨架电子对理论

1.3.3 芳香性规则

1.3.4 小结

第2章 超原子分子理论

2.1.1 超级共价键

2.1.2 超级杂化键

2.1.3 超级非键(共轭超原子网络)

2.2 等同超原子和等同超分子

2.3 非共轭超原子网络和杂化超原子网络

2.4 小结

第3章 从等同超原子到等同超分子实例

3.1 研究背景

3.2 等同超原子实例

3.3 等同超分子实例

3.4 等同超原子判定

3.5 讨论

3.6 结论

第4章 杂化超原子网络与Aul3结构规则实例

4.1 研究背景

4.2 杂化超原子网络

4.3 Aul3结构规则

4.4 结构预测

4.5 计算细节

4.6 结论

第5章 若干配体包覆金属团簇的性质研究

5.1 A92掺杂Au25纳米团簇

5.1.1 研究背景

5.1.2 研究内容

5.1.3 结论

5.2 Hg掺杂Au25纳米团簇

5.2.1 研究背景

5.2.2 研究内容

5.2.3 结论

5.3.1 研究背景

5.3.2 研究内容

5.3.3 结论

5.4 Au掺杂Pdn(SR)2n纳米团簇

5.4.1 研究背景

5.4.2 研究方法及内容

5.4.3 结论

第6章 总结与展望

6.2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

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摘要

纳米材料是现代科技和新型学科发展的基础,是纳米科技最为重要的研究对象。按照空间维度划分,纳米材料可分为零维、一维、二维以及三维纳米材料。零维纳米材料中,尺寸相对较小的称为纳米团簇,而尺寸相对较大的一般称作纳米颗粒。纳米团簇简称团簇,已经发展成为一门重要的学科“团簇科学”。
  在团簇科学领域,金属团簇是非常重要的分支。从质谱实验发现钠原子团簇的幻数序列开始,到凝胶模型以及超原子概念的引入,再到三维元素周期表的设想,团簇领域中各种理论模型和精巧的实验陆续被报道。这些研究中,一个重要且充满挑战的课题就是利用超原子进行结构组装,从而形成超分子或超原子组装材料。但是,目前超原子组装仍存在理论盲区。研究者对如何进行超原子组装并没有清晰的理论认识。缺乏理论指导的超原子拼接很难保证其结果的合理性,以及结构的稳定性。因此,梳理超原子间相互作用形式,分析和建立超原子间成键规则及组装模式,进而形成系统的理论框架对超原子组装、超原子结构设计及新型团簇结构的实验合成均意义重大。
  本论文旨在发掘超原子间的成键类型和组装模式,构建和完善超原子分子理论,为新型团簇的结构设计、组装以及合成提供理论依据。论文总共分五章:
  第一章介绍团簇研究相关背景。首先从团簇研究的主要理论方法,密度泛函理论开始,介绍了密度泛函理论从诞生到成熟的一些重要的理论模型和定理。然后对一些解释团簇结构及稳定性的理论进行了简单介绍。重点介绍了针对金属团簇的凝胶模型,然后是针对硼烷及过渡金属配合物的多面体骨架电子对理论,最后对衡量团簇稳定性的芳香性规则做了简单介绍。这些理论各有特点及使用范围,从不同的角度对不同类型团簇的结构及稳定性给出了理解。
  第二章介绍超原子分子理论目前所涵盖的主要内容。从超价键模型出发,将目前超原子成键类型总结概括为三类,即超级共价键、超级杂化键和超级非键。这些认识加上新提出的等同超原子概念,杂化超原子网络模型等内容,分别从超原子成键类型、组装基元以及组装模式等方面给出了理解,构成了较为系统的超原子分子理论。其中等同超原子和杂化超原子网络在第三章和第四章会重点阐述。
  第三章基于对团簇组装基元的思考,提出了等同超原子概念并介绍其应用实例。这一章首先给出了等同超原子概念的由来,及判定方法。然后结合实验结果指出由等同超原子可以形成超分子。最后,结合实验结果展示了若干等同超原子如何形成等同超分子。等同超原子概念的提出不仅可以解释已有理论无法解释的实验结果,还为超原子组装提供了更多的组装基元。
  第四章重点阐述一种超原子组装模式,即杂化超原子网络。该组装模式的特点是超原子先通过超级非键形成共轭超原子网络,然后若干共轭超原子网络通过配体链接组成更大的团簇体系。应用该模型可以解释一系列配体金团簇的结构稳定性。同时,基于对该系列团簇的结构分析,提出了其结构演化规则,即Au13拓扑规则。本章的结论不仅可以解释团簇的结构稳定性,而且对团簇的结构预测和团簇的实验合成均有重要意义。
  第五章包含四个理论与实验结合的工作。分别研究了两个Ag原子掺杂Au25纳米团簇的结构和光学性质;研究了Hg原子掺杂Au25团簇时可能的掺杂位点;研究了Pdn(SR)2n系列团簇的几何结构,成键以及光学性质;研究了Au原子掺杂Pdn(SR)2n系列团簇的结构和性质。这些工作中的理论数据及分析均很好的解释、佐证或补充了实验结果。

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