论文摘要
近年来,随着电子结构计算方法和计算机硬件的快速发展,量子化学计算的分子体系范围不断扩大,继而在越来越多的材料和化学分支领域发挥着重要作用。本课题的目的就是利用现代高速计算机,使用密度泛函理论模拟材料的各种化学物理性质,深入理解材料从宏观到微观多个尺度的各类现象与特征,并对材料的结构和物性进行理论预测,为材料的设计、制备提供理论指导和依据。在本论文中,我们采用密度泛函理论,对压电晶体BTGS和CNGS的结构与性质进行了相关研究,并对宽禁带TiO2半导体材料的掺杂改性进行了研究,最后我们对分枝结构对以N为耦合中心的多分枝分子的双光子吸收性质的影响进行了简单研究。本论文的主要结构如下:第一章,我们介绍了材料设计和计算机模拟的重要性,并对分子模拟在国内外的研究现状进行了概述。介绍了计算材料设计常用的方法,密度泛函理论（DFT）方法已成为量子化学计算及材料计算的一个十分重要的方法。最后,我们对几种常见的计算软件进行了简要的介绍。第二章简要介绍了量子化学的发展历史,并介绍了密度泛函理论的基本框架和近年来的理论发展。密度泛函理论的发展以寻找合适的交换相关能量泛函为主线。从最初的局域密度近似（LDA）、广义梯度近似（GGA）到现在的杂化泛函,使计算结果的精确度越来越高。除了改进交换相关泛函,近年来密度泛函理论向动力学平均场和含时等方面的扩展也很活跃,使得密度泛函理论的应用领域不断扩大。第三章中,介绍了压电晶体的发展历史,以及近几年来理论研究方面取得的进展。基于密度泛函理论的平面波赝势方法系统研究了压电晶体BTGS和CNGS的电子结构与其相关的光学性质。介电函数的虚部可以由电子结构计算直接得到,对虚部进行带隙宽度修正后,利用Kramers-Kronig色散关心得到介电函数的实部。我们根据实验测得的原子坐标构建了晶体的结构,并对晶体结构进行了优化,计算结果表明优化后的晶胞参数与实验值基本一致。通过对BTGS和CNGS晶体的能带图和态密度图分析可知,两种晶体都是带隙较宽的绝缘体。对两种晶体的光学性质进行了研究,如计算得到了两种晶体在不同方向的静态介电常数,折射率等。我们利用BFDH方法得到了晶体的生长外形,计算得到了晶体的弹性性质。这些性质的研究,对压电晶体的实验研究起到一定的指导作用。第四章中,采用第一性原理的超软赝势方法,研究了B掺杂锐钛矿TiO2半导体材料的几何结构,电子结构及光学吸收性质。电子结构的分析表明,B原子取代TiO2中的O原子是解释实验中所发生的红移现象的主要原因之一。此外,从总态密度和影射态密度的分析可知,B掺杂TiO2发光光谱的红移现象主要是由于电子从价带顶到部分杂质态的跃迁引起的。第五章中,我们以N原子作为耦合中心,以二苯乙烯类、噻吩类和芴类分子作为分枝设计了一系列具有三分支结构的分子,采用态收敛的ZINDO/SOS,单双重电子组态相互作用（SDCI）方法研究分子的双光子吸收性质。计算结果表明,多分支的分子各分支之间存在耦合作用,因而可以使分子的双光子吸收截面大大增加,但是,分支的结构会影响各分支的相互作用,而且各分支的相互作用也可能会使分子的双光子吸收截面减小;以二苯乙烯基苯和噻吩类分子作为分支的分子具有较大的双光子吸收截面。第六章对本论文进行了总结,并对今后拟开展的工作进行了展望。