修饰碳、硼氮纳米管的结构和线性光学性质的理论化学研究

发布时间：2019-09-24 03:53

【摘要】：近年来,碳纳米管和硼氮纳米管在众多领域表现出了迷人的性质,已经成为具有广泛应用前景的新型纳米材料。随着信息时代的到来,设计并开发具有纳米尺度的非线性光学材料对光通讯、光计算和光信息处理具有重要的意义。另一方面,量子化学是研究化学问题的重要理论基础,经过近百年的发展,已经被化学家们广泛应用。因此,通过量子化学计算来理解非线性光学材料的性能与微观结构的关系,对进一步寻求新型高效的非线性光学材料具有指导意义。我们期待,通过理论化学研究来探索调节碳纳米管的非线性光学性质的有效策略,并且在此基础上建立合理的构效关系,为进一步设计和制备纳米尺寸的非线性光学材料奠定理论基础。本文主要应用量子化学理论方法,研究了修饰碳、硼氮纳米管的结构和非线性光学性质所涉及到的若干基础问题。主要对共价修饰碳纳米管以及利用碱金属和硼氮纳米管的非共价相互作用来调节相关物理化学性质进行了深入的研究。本文主要的工作包括以下五个部分:1.通过设计一系列的模型,利用密度泛函理论和含时密度泛函理论方法深入探究了硼氮片段绕轴掺杂的不同连接方式对碳纳米管的第一超极化率的影响。结果发现,利用氮原子与碳纳米管片段进行连接的模型,其第一超极化率值远大于硼原子连接的模型。进一步的研究表明,氮原子连接方式能有效地增加硼氮片段对主要跃迁态轨道的贡献,这可以显著地提高占据轨道的能量,然而硼原子连接方式的影响却很小。同时,氮原子连接能引起从碳片段到硼氮片段的电荷转移,这也是氮连接的模型具有较大第一超极化率的一个重要原因。2.为了进一步理解硼氮片段嵌入掺杂到碳纳米管的修饰机理,我们还利用量子化学方法对比研究了硼氮片段螺旋掺杂和平行掺杂对第一超极化率的影响。结果显示,螺旋掺杂会使得相应模型的第一超极化率随着管长度的增加而显著增大,而平行掺杂的模型却受到较小影响,出现了有趣的螺旋拓扑效应。深入研究发现,杂化纳米管的受激发时电荷沿着碳片段转移是引起这一结果的本质原因。我们期待,这些关于碳-硼氮杂化纳米管的新发现能够为将来研究具有独特拓扑结构的纳米材料提供有效信息。3.在前面的研究基础上,我们还进一步利用密度泛函理论方法对比研究了锂盐效应对碳-硼氮杂化纳米管的第一超极化率的影响。结果发现,为了得到更大的第一超极化率,锂原子活化碳片段比活化硼氮片段更有利。值得一提的是,对于锂原子活化硼氮片段,氮连接方式更有效;然而,当锂原子活化碳片段时,硼连接方式的影响也不容忽视。进一步分析表明,锂原子活化碳片段时,会引起从碳片段到锂原子簇的电荷转移,这是硼连接方式的模型仍然具有较大第一超极化率的主要原因。4.利用量子化学方法研究了锂原子和硼氮纳米管的非共价相互作用对体系第一超极化率的影响。结果发现小口径的硼氮纳米管和锂原子间有较强的相互作用,并且硼氮纳米管能够有效的束缚锂原子的2s电子,形成有趣的类额外电子复合物。并且,锂原子和硼氮纳米管的硼富集端作用后,电子主要被端位的硼原子簇束缚;然而,当锂原子和硼氮纳米管的氮富集端作用时,额外电子较为离域,并且从氮富集端到硼富集端呈倒金字塔型分布。结果导致锂原子掺杂到氮富集端形成的复合物具有较小的跃迁能,从而使其第一超极化率远大于掺杂到硼富集端所形成的复合物。5.在前面的研究基础上,我们还对硼氮纳米管封装直线型额外电子化物的第一超极化率和稳定性进行了研究。量子化学研究结果表明,硼氮纳米管的封装能够使得额外电子化物较为稳定。特别是,封装后的模型具有较高的垂直电离势,这说明硼氮纳米管的封装提高了额外电子化物的抗氧化能力。值得注意的是,封装后模型的第一超极化率显著大于硼氮纳米管。同时能量扫描结果发现,由于其具有较低的能垒,从硼富集端封装比氮富集端更容易。我们期待,这个工作能得到更多实验科学家们的注意,为将来制备具有独特性质的稳定额外电子化合物提供理论依据。
【图文】：

化的碳原子形成的零维富勒烯结构 (C60)，一维的碳纳米维的石墨烯结构示意图结构上的特殊性主要体现在：具有轴向尺寸为微米量级且径征。碳纳米管，富勒烯以及石墨烯[3]的结构之间有很多有趣示，碳纳米管可以看成是由一定形状的平面石墨烯片段卷曲面，如果在富勒烯赤道带上，，插入一定长度且直径相当的开端的管状碳纳米结构。因此，碳纳米管也可以看成是具有一碳纳米管中的碳原子以 sp2杂化为主，同时六边形网状结构，碳纳米管中的一些化学键可以看成是同时由 sp2和 sp3杂化是，碳纳米管的一维长程共轭 π 键是其具有独特光电性质共轭大分子以非共价相互作用的化学基础。米管的分类标准，碳纳米管可以按如下几种方式进行分类[6-11]。首先，

东北师范大学博士学位论文，称其为锯齿形纳米管，手性角为 0o；当 n=m 时，称其为扶手椅形0o；当 > ≠0 时，称其为手性碳纳米管。另外，还可以根据碳纳米管为金属型碳纳米管和半导体型碳纳米管。按照是否含有管壁缺陷可以和含缺陷碳纳米管。总之，从不同的角度来看，可以对碳纳米管按照类。本文主要通过量子化学计算，从理论的角度来理解修饰锯齿型单生物对相关物理化学性质的影响。
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1

【参考文献】

相关期刊论文 前2条

1 封继康;非线性光学材料的分子设计研究[J];化学学报;2005年14期

2 张颖;徐昕;;新一代密度泛函方法XYG3[J];化学进展;2012年06期

相关博士学位论文 前3条

1 周中军;几种纳米分子及小分子体系的非线性光学性质的理论研究[D];吉林大学;2011年

2 陈招英;若干新材料的B3LYP杂化密度泛函理论研究[D];中国科学技术大学;2006年

3 杨国春;有机非线性光学材料的TDDFT-SOS理论研究[D];东北师范大学;2007年

本文编号：2540647