用DFT和ABEEMσπ对不同形状单层石墨烯结构的研究

论文摘要

本文应用密度泛函理论（DFT）和原子-键电负性均衡（ABEEMσπ）模型,来研究所选取的石墨烯构型。原子-键电负性均衡（ABEEMσπ）模型,是杨忠志教授等人基于密度泛函理论和电负性均衡原理建立的模型。该模型将大分子体系的电荷分成原子电荷和键电荷。本文选取完整的单层矩形（41个碳环）石墨烯构型、完整单层正六边形（37个碳环）石墨烯构型、以及有一个缺欠的单层矩形（41个碳环）石墨烯构型、有一个缺欠的单层正六边形（37个碳环）石墨烯、以及有两个缺欠的单层矩形构型,对构型都采用B3LYP/6-31G（d, p）方法进行优化。选取这五个构型目的是从以下三种情况对不同形状石墨烯的结构进行研究:（1）比较不同构型（六边形和矩形）情况。（2）比较同一个构型有缺欠和没有缺欠的情况。（3）比较矩形石墨烯有一个缺欠和有两个缺欠的情况。统计优化后的构型的键长和键角,分析HOMO和LUMO分布,计算能隙值。发现:（1）所选构型的键长值和键角的大小,满足于中心对称相等或轴对称相等。（2）不同构型,HOMO和LUMO分布不同,能隙值不同。（3）同一个构型,正六边形石墨烯有缺欠和完整构型,HOMO和LUMO分布不同,前者能隙约0.9eV,具有导体特性,后者能隙为2.0 eV,属于半导体,且出现简并态。对于矩形石墨烯,有缺欠和完整的构型,HOMO和LUMO的集中分布于锯齿形边缘,能隙值都为0.15 eV,接近0,具有导体的性质。（4）矩形石墨烯构型,有一个缺欠和两个缺欠的构型,HOMO和LUMO的分布没有变化,集中分布于锯齿形边缘,能隙值都约为0.15 eV。分析得到上述结果的原因,由于构型带边缘的不同,对HOMO和LUMO分布以及能隙值产生影响。由于石墨烯构型扶手椅形边缘和锯齿形边缘的不同,在ABEEMσπ模型中,定义了石墨烯边缘的碳原子,内部碳原子及碳原子上的π键,调节的参数,将计算得到的结果,与采用HF/STO-3G方法计算电荷比较,线性相关性达到0.99以上.。由此可确定我所定义的碳原子和π键是合理的,所调参数是适合于石墨烯大分子体系的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 基础理论
• 1.1 密度泛函理论
• 1.2 基组的介绍
• 1.3 电负性均衡方法
• 1.4 原子-键电负性均衡方法（ABEEM）
• 1.5 ABEEMσπ模型
• 2 石墨烯的综述
• 2.1 石墨烯的发现
• 2.2 石墨烯的性质
• 2.3 石墨烯的制备方法
• 2.4 石墨烯的应用前景
• 3 应用密度泛函理论研究石墨烯的结构
• 3.1 选取的石墨烯构型
• 3.2 分析优化后完整构型的结构
• 3.2.1 分析正六边形石墨烯构型的结构
• 3.2.2 分析矩形石墨烯构型的结构
• 3.3 分析有缺欠构型的结构
• 3.3.1 分析有一个缺欠的正六边形石墨烯的结构
• 3.3.2 分析有一个缺欠的矩形石墨烯构型的结构
• 3.3.3 分析有两个缺欠的矩形石墨烯的结构
• 4 应用密度泛函理论研究石墨烯的导电性
• 4.1 分析完整构型的导电性
• 4.1.1 分析六边形的HOMO和LUMO、能隙
• 4.1.2 分析矩形的HOMO和LUMO、能隙
• 4.2 分析有缺欠构型的导电性
• 4.2.1 分析有一个缺欠的正六边形构型HOMO和LUMO、能隙
• 4.2.2 分析有一个缺欠的矩形构型的HOMO和LUMO、能隙
• 4.2.3 分析有两个缺欠的矩形构型的HOMO和LUMO、能隙
• 5 应用ABEEM模型计算构型的电荷分布
• 5.1 定义石墨烯的碳原子
• 5.2 确定参数
• 5.3 计算结果
• 结论
• 参考文献
• 致谢