氨水分子混合团簇的从头算研究

论文摘要

团簇作为微观层次上有限原子的聚集体是界于气态和凝聚态之间的一种特殊形态,团簇具有奇特的几何结构,对团簇稳定结构的研究不仅可以深入了解团簇本身的性质,也有助于更进一步了解其相应宏观块体的物理化学性质。近年来,随着人们对团簇研究的深入,分子间的弱相互作用受到越来越多研究者的关注。以弱相互作用氢键结合的分子团簇也成为人们理论和实验研究的重点。NH3分子团簇、H2O分子团簇以及（H2O）n（NH3）m混合团簇都是以氢键结合的团簇体系。目前,人们已经对它们已做了一些相关的研究。作为在化学化工以及环境改造领域有着重要作用的（H2O）n（NH3）m混合团簇逐渐吸引了众多研究者的目光。Daniel E.Bacelo利用密度泛函理论（DFT）方法研究了NH3（H2O）n（n=3,4）混合团簇的最稳定结构,得到的构型与相应大小纯水团簇的最稳定构形相似,不同的是水团簇稳定构型中的一个水分子由氨分子代替。但对于氨水混合团簇体系结合一个多余的电子形成负性团簇的理论研究却鲜见报导。本文首先采用密度泛函理论（DFT）方法对（H2O）5 NH3分子混合团簇的可能构型进行了几何优化和频率分析,得到一些稳定的结构,通过能量和氢键强度的比较,确定出团簇的最稳定结构。这与利用Hartree-Fock方法对氨水团簇（H2O）n （NH3）m（n=5,m=1）的一些可能构型进行结构优化后得到的构型一致。并进一步利用Hartree-Fock方法讨论了（H2O）n （NH3）m（m>1）团簇的最稳定结构;在此基础上我们还计算了这些团簇的电离势、电子亲和势,并对（H2O）5 NH3分子混合团簇结合多余电子形成的负性团簇进行了初步的理论分析,这将有助于对（H2O）n （NH3）m团簇体系的结构和性质的进一步研究。本文的主要内容有:第一章为团簇科学的介绍,阐述了什么是团簇、团簇的性质、分类以及团簇研究存在的问题,展望了团簇研究科学的前景。第二章:详细介绍了研究团簇常用的理论方法——基于Hartree-Fock自洽场分子轨道理论的量子化学计算方法和基于密度泛函理论推广的密度近似下的实空间中的第一性原理电子结构计算方法。第三章:详细介绍了LCAO-MO几种常用的基函数组:Slater基组、G auss基组以及各种基组的优缺点。第四章:系统研究了氨水（H2O）n （NH3）m分子混合团簇的几何结构、稳定性、结合能、电离势、以及电子亲和势,以及对（H2O）n （NH3）m分子混合团簇结合一个多余电子结构的初步探讨。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 团簇科学简介
• 1.1 团簇
• 1.2 团簇的基本性质
• 1.3 团簇的分类
• 1.4 团簇科学的主要研究内容
• 1.5 团簇科学研究的现状
• 1.6 团簇研究的意义
• 第二章 ab initio的理论和计算方法
• 2.1 哈特里--福克自洽场近似
• 2.1.1 多粒子体系的定态薛定谔方程
• 2.1.2 波恩--奥本海默近似
• 2.1.3 哈特里自洽场近似
• 2.1.4 哈特里--福克自洽场近似
• 2.2 密度泛函理论
• 2.2.1 Hohenberg--Kohn 定理
• 2.2.2 局域密度近似下的能量泛函与局域密度近似
• 2.2.3 局域密度近似下的交换关联能与交换关联势形式
• 2.2.4 超越局域密度近似
• 2.2.5 推广的梯度修正（GGA）
• 第三章 自洽场计算中的基函数
• 3.1 Slater 基组方法（Slater Type Orbital，简称STO）
• 3.2 Gauss 基组方法（Gauss Type Orbital，简称GTO）
• 3.3 全数值方法
• 第四章 氨水分子混合团簇的稳定结构的研究研究
• 4.1 密度泛函理论研究团簇的稳定结构
• 4.1.1 引言
• 4.1.2 计算方法
• 4.1.3 结果和讨论
• 2O）₅NH₃的稳定结构'>4.1.3.1 （H₂O）₅NH₃的稳定结构
• 2O）₅NH₃]^-的稳定结构'>4.1.3.2 [（H₂O）₅NH₃]^-的稳定结构
• 4.1.4 结论
• 4.2 Hartree--Fock 方法研究团簇的稳定结构
• 4.2.1 引言
• 4.2.2 计算方法
• 4.2.3 结果和讨论
• 2O）n （NH₃）m（m+n=6）团簇的稳定结构'>4.2.3.1 （H₂O）n （NH₃）m（m+n=6）团簇的稳定结构
• 4.2.3.2 团簇的电离势和电子亲和势
• 4.2.4 结论
• 总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间完成的论文