尿嘧啶作为一种碱基，其化学功能提供了大量的可能的应用：它们能在表面上进行手性识别，这是一种在精细化工领域发展的重要潜力。在纳米表面构造学中，碱基已经作为基本的组件被使用，它能在二元或三元的超分子网络中提供多个氢键的接点[12]。此外，DNA碱基提供了金属-配体相互作用的可能性。它们的吸引力显而易见：廉价、无毒、具有生物相容性。然而为了完全利用其潜力，我们还要进行很多研究。

1。4  本课题的内容、研究对象和目标

第一性原理的DFT计算在新型纳米器件设计中有着重要的作用，也面临着一定的挑战。目前普遍使用的第一性原理方法并不包含范德华力，在进行器件设计时常常导致错误的结果，为此抑制了材料设计的正确性和有效性。

本课题旨在利用第一原理密度泛函理论方法，通过调控分子与金属或石墨烯表面的结合力，特别是范德华力等弱相互作用力的贡献，设计高灵敏度的气体传感器以及单分子开关等新型纳米器件。为实验和工业界理解和设计功能化界面提供理论依据。 

本课题选取的研究对象是尿嘧啶分子在Rh（111）金属表面吸附，通过分析其吸附结构的密度泛函理论计算，来探究其作为分子开关的潜力。

2  研究方法

2。1  密度泛函理论

2。1。1  密度泛函理论的早期发展文献综述

密度泛函理论最早出现于H。Thomas和E。Fermi在1927年的工作中，他们使用粒子密度函数来描述原子、分子和固体的基态物理性质，假设可将量子力学计算中体系的能量写成电子密度的泛函形式[13]。在Thomes-Fermi理论中，由于没有考虑到动能项的影响，阻碍了理论的进一步发展。直到1964年，Hohenberg和Kohn基于对非均匀电子气理论的研究，提出了体系的总能量可以表示成电荷密度ρ(r)的泛函，即是密度泛函理论中著名的Hoenberg-Kohn定理[14,15]：

定理 1 外势场是电荷密度的单值函数（可相差函数），不计自旋的全同费米子系统的基态能量是粒子束密度函数ρ(r)的唯一泛函。也就是说存在EGS[Ψ(r1,r2,。。。rn)]→EGS[ρ(r)]的一一对应关系，减少了计算基态总能的自由度，简化了求解的过程。

定理 2 对任何一个多电子体系，总能E[ρ]的电荷密度泛函的最小值为基态能量，对应的电荷密度为该体系的基态电荷密度。

由于密度泛函理论的推导过程主要涉及到体系基态能量的问题，故而常常被误认为是仅仅能够处理基态问题的方法。然而，近年来，人们逐渐开始利用密度泛函理论来处理有关激发态的问题。