几种有机小分子在金刚石（001）-2×1重构表面化学吸附的理论研究

论文摘要

金刚石是一种集多种优良性能于一体的功能材料,它具有极其优异的机械性能、电学性能、热学性能和光学性能,具有十分广泛的用途。表面化学修饰和功能化可以为金刚石表面引入新的物理和化学特性,使金刚石具有特殊的潜在用途,因此金刚石表面的功能化研究是近年来的一个研究热点。本文的核心工作就是理论上研究了几种有机小分子与金刚石（001）-2×1重构表面的反应机理。首先,我们应用密度泛函理论（B3LYP/6-31G*）和有效的团簇模型（C15H16和C23H24）研究了丙烯腈在金刚石（001）-2×1重构表面的吸附机理。研究表明该吸附过程是一个复杂的反应过程,反应过程中不仅包含了丙烯腈与单个的二聚体的反应,而且还包含了与同一列中以及相邻两列中两个相邻的二聚体的反应。计算揭示了8条可能的反应通道,优化得到了所有产物的几何结构,包括intra-和inter-反应通道的产物。并从能量、几何结构和活化能垒等角度对结果进行了分析。计算表明丙烯腈主要通过无极性的乙烯基与金刚石（001）-2×1表面反应,四元环的intradimer [2+2]产物是主要的表面产物,所有这些结果都与Schwartz等人的实验观测结果相一致。值得注意的是,[2+2]cc inter产物和[4+2] intra产物均可以异构化为主要产物。其次,我们利用密度泛函理论（B3LYP/6-31G*）和有效的团簇模型（C21H20）研究了1,3-环已二烯与金刚石（001）-2×1重构表面反应,优化得到了所有产物的几何结构,包括intra-和inter-反应通道的产物。并从能量、几何结构和活化能垒等角度对结果进行了分析。计算表明[4+2] intra产物比其他产物更加稳定,而且[4+2] intra反应通道的活化能垒比其他反应通道的活化能垒低,因此[4+2] intra产物为主要的表面产物。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 引言
• 第一章 绪论
• 1.1 金刚石的结构和性质
• 1.1.1 金刚石的晶体结构
• 1.1.2 金刚石的基本性质
• 1.2 人工合成金刚石的发展现状
• 1.3 金刚石表面性质的研究进展及（001）表面简介
• 1.3.1 金刚石表面性质的研究进展
• 1.3.2 金刚石（001）表面简介
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 理论计算方法简介
• 2.1 计算方法概述
• 2.1.1 多粒子体系的薛定谔方程
• 2.1.2 量子化学中的三个近似
• 2.2 半经验方法和AB INITIO 计算方法
• 2.2.1 量子化学中的半经验方法
• 2.2.2 Ab initio 方法
• 2.3 密度泛函理论（DENSITY FUNCTIONAL THEORY, DFT）
• 2.4 过渡态理论
• 2.4.1 化学反应中驻点的数学模型
• 2.4.2 过渡态的构型优化方法[41]
• 2.5 内禀反应坐标理论（INTRINSIC REACTION COORDINATE，IRC）
• 第三章 丙烯腈在金刚石（001）-2×1 重构表面化学吸附的密度泛函理论研究
• 3.1 理论计算方法和模型
• 3.2 计算结果与讨论
• cc intra 反应通道'>3.2.1 [2+2]_cc intra 反应通道
• cc inter 反应通道'>3.2.2 [2+2]_cc inter 反应通道
• 3.2.3 [4+2] intra 反应通道
• 3.2.4 [4+2] inter 反应通道
• 3.2.5 [2+2]CN 反应通道
• 3.2.6 Cross-row 反应通道
• 3.2.7 反应物轨道分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 1,3-环已二烯在金刚石（001）-2×1 重构表面化学吸附的密度泛函理论研究
• 4.1 理论计算方法和模型
• 4.2 计算结果与讨论
• 4.2.1 [2+2] intra 反应通道
• 4.2.2 [2+2] inter 反应通道
• 4.2.3 [4+2] intra 反应通道
• 4.2.4 [4+2] inter 反应通道
• 4.3 本章小结
• 第五章 总结和展望
• 5.1 工作总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 在读硕士学位期间公开发表的论文