内嵌金属富勒烯结构和电子性质的理论研究

论文摘要

内嵌金属富勒烯（Endohedral Metallofullerenes）是一类将金属原子或者含有金属原子的团簇包裹在富勒烯碳笼中的化合物。近几年来,因其分子结构和性质的特殊性,内嵌金属富勒烯的研究得到了广泛的关注。迄今为止,已经有各种各样不同大小的内嵌金属富勒烯被合成出来。但是,由于内嵌金属富勒烯在实验合成中存在着诸多困难,例如:产量低,产物复杂,无法得到好的单晶等等,大量分离到的内嵌金属富勒烯的结构无法确定。确定这些内嵌金属富勒烯的结构对其光电性质、磁学性质和化学反应的研究以及挖掘其潜在的应用前景都起着重要的作用。本文基于富勒烯的拓扑结构,利用量子化学计算,系统地研究了一系列重要的内嵌金属富勒烯的结构和电子性质。研究结果总结如下:一、Sc2C70:Sc2C70的结构不是Sc2@C70,而是Sc2C2@C68。其稳定的电子态是(SC3+)2（C2）2-@C684-。二、M2C2@C78（M=Ti,Zr,Hf）:M2C80（M=Ti,Zr,Hf）系列内嵌金属富勒烯的结构不是先前推测的M2@C80,而是M2C2@C78。其稳定的电子态是(M4+)2（C2）2-@C786-。三、U2@C60:U2@C60的基态是U2@C60(D3d,7A2u)。其中内嵌的U2团簇具有六重双中心单电子的U-U多重键。此外,U-U的成键类型为（5fπu）2（5fσg）1（5fδg）2（5fΦu）1。四、Sc2C2n（30≤n≤43）的结构规则:i)稳定的Sc2C2@C2n-2和Sc2@C2n异构体会分别采取(Sc3+)2（C2）2-@C2n-24-和(Sc3+)2@C2n6-的电子态;ii)具有较小碳笼的Sc2C2n（2n=60,62,64,68）是不稳定的,很难在实验中合成并且分离出来;iii)除了Sc2C70会采取Sc2C2@C68的结构外,中等大小的Sc2C2n（2n=66,72-82）会采取Sc2@C2n的结构,而比较大的Sc2C2n（2n≥84）会倾向于采取Sc2C2@C2n-2的结构。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 内嵌金属富勒烯的研究介绍
• 1.1.1 内嵌金属富勒烯的结构特点
• 1.1.2 内嵌金属富勒烯结构确定的困难
• 1.2 富勒烯的拓扑结构
• 1.2.1 富勒烯多面体
• 1.2.2 富勒烯多面体二图
• 1.2.3 富勒烯多面体的产生
• 1.2.4 螺旋猜想和螺旋算法
• 1.2.5 富勒烯二图矩阵和链接矩阵
• 1.3 富勒烯数据库程序的结构图
• 1.4 本文的工作
• 参考文献
• 2C₇₀的结构和电子性质'>第二章 Sc₂C₇₀的结构和电子性质
• 2.1 简介
• 2.2 计算方法
• 2.3 结果和讨论
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 2C₂@C₇₈（M=Ti,Zr,Hf）的结构和电子性质'>第三章 M₂C₂@C₇₈（M=Ti,Zr,Hf）的结构和电子性质
• 3.1 简介
• 3.2 计算方法
• 3.3 结果和讨论
• 2C₂@C₇₈'>3.3.1 Ti₂C₂@C₇₈
• 2C₂@C₇₈'>3.3.2 Hf₂C₂@C₇₈
• 2C₂@C₇₈'>3.3.3 Zr₂C₂@C₇₈
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 2@C₆₀的结构和电子性质'>第四章 U₂@C₆₀的结构和电子性质
• 4.1 简介
• 4.2 计算方法
• 4.3 结果和讨论
• 2@C₆₀（I_h）的稳定结构和电子态'>4.3.1 U₂@C₆₀（I_h）的稳定结构和电子态
• 2@C₆₀（I_h）的U-U多重键'>4.3.2 U₂@C₆₀（I_h）的U-U多重键
• 60异构体的U₂@C₆₀的结构和稳定性'>4.3.3 基于非IPR C₆₀异构体的U₂@C₆₀的结构和稳定性
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 2C_2n（30≤n≤43）的结构规则'>第五章 Sc₂C_2n（30≤n≤43）的结构规则
• 5.1 简介
• 5.2 计算方法
• 5.3 结果和讨论
• 2n^q-（q=4,6;30≤n≤35）的结构和稳定性'>5.3.1 C_2n^q-（q=4,6;30≤n≤35）的结构和稳定性
• 2C_2n（n=60,66,70）的结构和稳定性'>5.3.2 Sc₂C_2n（n=60,66,70）的结构和稳定性
• 2C_2n（36≤n≤39）的结构和稳定性'>5.3.3 Sc₂C_2n（36≤n≤39）的结构和稳定性
• 2C_2n的结构和稳定性的变化规律'>5.3.4 Sc₂C_2n的结构和稳定性的变化规律
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 论文发表情况
• 致谢