低維納米材料的結構、性質與套用

內容簡介

近年來，對低維納米結構如團簇、碳納米管、石墨烯的研究，構成了物理學、化學、材料科學等多個學科交叉的熱點領域。對它們的深入研究有助於揭示從微觀的單個原子、分子到巨觀凝聚態物質的演變規律，為微納尺度的材料設計和改性提供科學依據。本書採用密度泛函理論方法分別討論了零維的半導體和金屬原子團簇、水分子團簇在一維納米限域環境下的行為以及二維氧化石墨烯的結構和儲氫性能。

半導體團簇和金屬團簇是原子團簇研究中的兩個熱點領域。半導體團簇的研究對於理解半導體材料的生長機制和揭示具有新奇物理特性的低維半導體納米結構有著重要的意義。對於半導體團簇，本書採用密度泛函理論研究了單質Ge團簇和Ⅲ～V族化合物AIP和InP團簇的結構和電子性質。通過遺傳算法對中等尺寸Gen（n=30～39）團簇的結構進行了全局搜尋，得到這個尺寸下的低能量結構是由Ge.。和Ge。為基元加一些連線原子構成的超團簇結構，對其電子性質進行了分析和討論，並與填充式富勒烯結構進行了比較。而對於AIP和InP半導體團簇，我們研究了其小尺寸團簇的結構和電子性質，包括結合能、能隙和電子親和能，並模擬了陰離子團簇的光電子譜特徵，與實驗符合很好。對於金屬團簇，我們研究了常見金屬Al構成的Al.。幻數團簇，討論了Al13團簇的基態構型與選擇計算泛函和基組的依賴性；並通過替代摻雜Al13團簇調控其電子性質，從而調控氫氣分子在摻雜團簇Al12X（X=B，Al，C，Si，P，Mg，Ca）表面的分解特性。我們計算了氫氣分解反應過程中的反應熱和反應勢壘，其中，Al12Ca具有的反應熱和低的反應勢壘，是較好的分解H。分子的催化劑。這一理論結果對於設計高效、低價的H2分子催化劑具有一定的理論指導意義。

水是生命體的重要組成部分，研究水分子限域在納米尺寸環境中的行為有助於理解水在生物大分子通道中的運輸行為和質子穿越細胞薄膜把水分子帶進和帶出細胞的行為特徵。水分子在限域環境下會表現出和自由空間下不同的結構和電子性質。我們採用密度泛函理論研究了水分子團簇分別限域在籠狀和管狀納米尺寸環境下的結構、電子性質和振動頻率特徵。計算結果表明無論是籠狀還是管狀環境都會對裡面水分子產生禁止作用，使得水分子的偶極矩減小。水分子與外界限域環境之間是較弱的范德瓦爾斯相互作用，但是這種弱作用對填充水分子的電子性質和振動頻率均有一定的影響。我們還模擬了納米尺寸管狀限域環境下有序和無序水分子結構的紅外吸收光譜，兩者存在明顯差異，為實驗上對限域環境下的水分子團簇構型進行區分和辨別提供了理論依據。

作者簡介

王璐，1981年10月出生，2011年7月獲得大連理工大學原子與分子物理專業博士學位、2011年8月到2013年5月在香港理工大學從事博士後研究。2013年6月至今，任蘇州大學副教授。主要從事包括團簇、納米管和二維材料等低維納米材料的計算模擬與設計，獲得材料的穩定結構，揭示材料的電子和催化特性，開拓低維納米材料在能源、環境和催化領域中的重要套用。相關成果在2017年獲得***自然科學獎二等獎。

低維納米材料的結構、性質與套用

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