碳纳米环封装富勒烯的量子化学研究

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摘要：采用密度泛函理论M06-2X方法在6-31G(d)基组水平下主要研究了10-联苯纳米环C60内嵌复合物C60@10CPP的几何结构、前线分子轨道和芳香性。通过对比分析，BN杂环取代以后，环的几何结构发生了一定的变化，HOMO和LUMO的能隙均降低，能隙显著增大；C60@10CPP的最高占有轨道主要由10CPP的最高占有轨道贡献，最低占有轨道由富勒烯的最低占有轨道贡献，而BN环对最高占有轨道和最低占有轨道贡献不大。能量分解计算结果表明，BN取代以后使得体系略稳定。转移积分计算表明，C60@10CPP的载流子传输能力较强，可作为P型半导体材料。57030

毕业论文关键词：富勒烯，碳纳米环，硼氮杂化，芳香性，能量分解，转移积分

Abstract：Using density functional theory M06-2X method on 6-31G(d) basis set level, we mainly studied the geometrical structure, the frontier molecular orbital and aromatic properties of C60@10CPP and C60@10CPP–BN. Through the comparative analysis of BN replace later, some changes take place in geometry, for example, energy gap have been increased obviously. The highest occupied molecular orbital of C60@10CPP is mainly contributed by highest occupied molecular orbital of 10CPP, and the lowest occupied molecular orbital is contributed by the lowest orbital of fullerenes. The contribution of BN ring on highest occupied molecular orbital and lowest occupied molecular orbital is not big. Transfer integral calculations show that the C60@10CPP could be as P-type semiconductor material.

Keywords：fullerene,carbon nanoring,boron and nitrogen hybridization,aromaticity,energy decomposition analysis,charge transfer

1 前言 3

2 计算方法 4

3 结果与讨论 4

3.1 几何结构 4

3.2 芳香性 7

3.3 前线分子轨道 8

3.4 能量分解 9

3.5 转移积分 11

3.6 弱相互作用力的可视化 12

结论 14

参考文献 15

致谢 17

1 前言

碳纳米材料在材料科学领域有着举足轻重的地位，碳纳米材料有很多种，其中主要包括零维富勒烯、一维碳纳米管和二维石墨烯等。碳纳米管的在力学、电学、磁学和光学等方面有着特殊的功能，如独立环共轭、光物理性质、高的热稳定性以及良好的客体封装等，从而使其在纳米电子器件和发光器件上有着广阔的前景。碳纳米管有单层碳纳米管(SWNTs)和多层碳纳米管(MWNTs)，根据卷曲角度也可以将单层碳纳米管分为扶手椅式(Armchair)、锯齿式(Zig-zag)和螺旋式(Chiral)，卷法的不同可使得单层碳纳米管变为导体或半导体。自从日本化学家Iijima[1]首次提出嵌套富勒烯纳米管结构，嵌套富勒烯纳米管结构与性质引起了科学家们的广泛的兴趣。通过纳米自组装可衍生出环套环型[2, 3]、球套球型[4, 5]、环套球型[6, 7]、管套球型[8]及管套管型[9]等结构。这些碳纳米材料不但能够稳定的存在，而且有着许多特殊的性质。

三大碳纳米材料

碳纳米环是组成碳纳米管的最小结构单元，近年来对碳纳米环的研究就激起了化学家的广泛关注。联苯纳米环[n]CPP被看作是扶手椅式纳米环的最小结构单元，截止最新文献报道成功合成了最小尺寸的5CPP环[10]，目前已经通过采用不同的方法成功合成了合成[5]-[8]CPP。[11-20]1995年，Zettl等[21]第一次发现BN纳米管结构后，科学家采用了许多的方法，成功制备了不同尺寸类型的BN纳米管，由于BN纳米管中的B和N有着很强的吸电子性质，使其结构有着较高的化学稳定性。