C60富勒烯-巴比妥酸及其二聚体几何结构和电子结构的密度泛函计算研究

蒋岩玲; 付石友; 邓开明; 唐春梅; 谭伟石; 黄德财; 刘玉真; 吴海平

doi:10.7498/aps.57.3690

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摘要
采用基于密度泛函理论的广义梯度近似，对C60富勒烯-巴比妥酸及其二聚体的几何结构和电子结构进行了计算研究.发现：C60富勒烯-巴比妥酸只有一种稳定结构，且掺杂巴比妥酸基团对C60分子构型的影响是局域的.C60富勒烯-巴比妥酸的二聚体有三种同素异构体，分别以［6,5］—［6,5］，［6,6］—［6,5］和［6,6］—［6,6］三种方式键合，从能隙大小顺序和总能相对大小来看，［6,6］—［6,6］结构最为稳定.电子结构方面，在C60富勒烯-巴比妥酸单体中，Donor-Acceptor电荷转移体系为C60富勒烯-巴比妥酸，即电荷是从C60向巴比妥酸转移.由前线轨道和自旋布居数得知，C60富勒烯-巴比妥酸单体很好地保留了C60的电磁性质，但稳定性下降，易发生二次加成反应形成二聚体.对于C60富勒烯-巴比妥酸二聚体，Mulliken电荷分析显示，在加成四元环处的碳原子分别得到0104e和0106e电荷，而与它们邻近的碳原子则失去电子，带有正电荷，且距加成位置越近的碳原子失去的电荷越多.在远离加成位置处，碳原子的净电荷变化相对较小.与单体152eV能隙相比，二聚体中的能隙为1.45eV.其前线轨道分布与单体相比，最高占据轨道几乎未变，但最低未占据轨道发生了很大变化.

关键词:
几何结构 /

电子结构 /

密度泛函
Abstract
Geometric and electronic properties of fullerene-barbituric acid and its dimmer have been studied using density functional theory (DFT) at BLYP level with DNP basis sets. The calculation results indicate that the only one stable geometry of the fullerene-barbituric acid is that with ［6,6］ close-bond structure, and the effects of the barbituric acid on the cage structure is mainly in the local region neighboring the barbituric acid. Among the three isomers of the fullerene-barbituric acid dimmers, one can come to the conclusion both from the energy gap and from relative energy that the ［6,6］—［6,6］ structure is the most stable one. With respect to the electronic structures, the donor-acceptor system corresponds to C60 fullerene-barbituric acid, ie. electron transfers from the fullerene cage to the barbituric acid. The frontier orbitals and spin population show that C60 fullerene-barbituric acid has similar electromagnetic properties of C60, but its stability is reduced, so that the addition reaction would easily take place to form its dimmer. For the C60 fullerene-barbituric acid dimmer, the Mulliken analysis shows there are 0104e and 0106e charge transfers to the four carbons from their neighboring carbons, and the farther the atoms is, the less charge it loses. Compared with those of the C60 fullerene-barbituric acid, the energy gap is changed from 152eV to 1.45eV, while the distribution of highest occupied molecular orbital (HOMO) is little changed but that of lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) is changed a lot.

Keywords:
geometric structure /

electronic structure /

density functional theory
作者及机构信息
蒋岩玲³,

付石友¹,

邓开明²,

唐春梅²,

谭伟石²,

黄德财²,

刘玉真²,

吴海平²

(1)哈尔滨工业大学威海分校，威海 264209；南京理工大学应用物理系，南京 210094; (2)南京理工大学应用物理系，南京 210094; (3)中国药科大学物理教研室，南京 210009；南京理工大学应用物理系，南京 210094

基金项目: 国家自然科学基金(批准号：10174039)，江苏省自然科学基金(批准号：BK2002099和BK2006204)，南京理工大学优秀青年学者基金(批准号：NJUST200705)和江苏省博士生科研创新基金资助的课题.
Authors and contacts
Jiang Yan-Ling³,

Fu Shi-You¹,

Deng Kai-Ming²,

Tang Chun-Mei²,

Tan Wei-Shi²,

Huang De-Cai²,

Liu Yu-Zhen²,

Wu Hai-Ping²

(1)哈尔滨工业大学威海分校，威海 264209；南京理工大学应用物理系，南京 210094; (2)南京理工大学应用物理系，南京 210094; (3)中国药科大学物理教研室，南京 210009；南京理工大学应用物理系，南京 210094
参考文献

施引文献

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[2]	李亚莎, 谢云龙, 黄太焕, 徐程, 刘国成. 基于密度泛函理论的外电场下盐交联聚乙烯分子的结构及其特性. 物理学报, 2018, 67(18): 183101. doi: 10.7498/aps.67.20180808
[3]	蒋元祺, 彭平. 稳态Cu-Zr二十面体团簇电子结构的密度泛函研究. 物理学报, 2018, 67(13): 132101. doi: 10.7498/aps.67.20180296
[4]	曹青松, 邓开明. X@C20F20(X=He,Ne,Ar,Kr)几何结构和电子结构的理论研究. 物理学报, 2016, 65(5): 056102. doi: 10.7498/aps.65.056102
[5]	阮文, 谢安东, 余晓光, 伍冬兰. NaBn(n=19)团簇的几何结构和电子性质. 物理学报, 2012, 61(4): 043102. doi: 10.7498/aps.61.043102
[6]	唐春梅, 郭微, 朱卫华, 刘明熠, 张爱梅, 巩江峰, 王辉. 内掺过渡金属非典型富勒烯M@C22(M=Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni) 几何结构、电子结构、稳定性和磁性的密度泛函研究. 物理学报, 2012, 61(2): 026101. doi: 10.7498/aps.61.026101
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[9]	葛桂贤, 井群, 曹海宾, 杨增强, 唐光辉, 闫红霞. 密度泛函理论研究Run和RunAu(n=112)团簇的结构和电子性质. 物理学报, 2011, 60(10): 103102. doi: 10.7498/aps.60.103102
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[11]	李喜波, 王红艳, 罗江山, 吴卫东, 唐永建. 密度泛函理论研究ScnO(n=1—9)团簇的结构、稳定性与电子性质. 物理学报, 2009, 58(9): 6134-6140. doi: 10.7498/aps.58.6134
[12]	唐春梅, 朱卫华, 邓开明. 内掺过渡金属富勒烯衍生物Ni@C20H20几何结构、成键和电磁性质的密度泛函计算研究. 物理学报, 2009, 58(7): 4567-4572. doi: 10.7498/aps.58.4567
[13]	唐春梅, 陈宣, 邓开明, 胡凤兰, 黄德财, 夏海燕. 富勒烯衍生物C60（CF3）n（n=2，4，6，10）几何结构和电子性质变化规律的密度泛函研究. 物理学报, 2009, 58(4): 2675-2679. doi: 10.7498/aps.58.2675
[14]	杨剑, 王倪颖, 朱冬玖, 陈宣, 邓开明, 肖传云. MPb10（M=Ti，V，Cr，Cu，Pd）几何结构和磁性的密度泛函计算研究. 物理学报, 2009, 58(5): 3112-3117. doi: 10.7498/aps.58.3112
[15]	曹青松, 邓开明, 陈宣, 唐春梅, 黄德财. MC20F20（M=Li，Na，Be和Mg）几何结构和电子性质的密度泛函计算研究. 物理学报, 2009, 58(3): 1863-1869. doi: 10.7498/aps.58.1863
[16]	葛桂贤, 罗有华. 密度泛函理论研究MgnOn(n=2—8)团簇的结构和电子性质. 物理学报, 2008, 57(8): 4851-4856. doi: 10.7498/aps.57.4851
[17]	柏于杰, 付石友, 邓开明, 唐春梅, 陈宣, 谭伟石, 刘玉真, 黄德财. 密度泛函理论计算内掺氢分子富勒烯H2＠C60及其二聚体的几何结构和电子结构. 物理学报, 2008, 57(6): 3684-3689. doi: 10.7498/aps.57.3684
[18]	唐春梅, 袁勇波, 邓开明, 杨金龙. C72,La2@C72几何结构和电子性质的计算研究. 物理学报, 2006, 55(7): 3601-3605. doi: 10.7498/aps.55.3601
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C60富勒烯-巴比妥酸及其二聚体几何结构和电子结构的密度泛函计算研究

1. (1)哈尔滨工业大学威海分校，威海 264209；南京理工大学应用物理系，南京 210094; (2)南京理工大学应用物理系，南京 210094; (3)中国药科大学物理教研室，南京 210009；南京理工大学应用物理系，南京 210094

基金项目: 国家自然科学基金(批准号：10174039)，江苏省自然科学基金(批准号：BK2002099和BK2006204)，南京理工大学优秀青年学者基金(批准号：NJUST200705)和江苏省博士生科研创新基金资助的课题.

收稿日期: 2007-06-13

修回日期: 2007-11-15

刊出日期: 2008-03-05

摘要: 采用基于密度泛函理论的广义梯度近似，对C60富勒烯-巴比妥酸及其二聚体的几何结构和电子结构进行了计算研究.发现：C60富勒烯-巴比妥酸只有一种稳定结构，且掺杂巴比妥酸基团对C60分子构型的影响是局域的.C60富勒烯-巴比妥酸的二聚体有三种同素异构体，分别以［6,5］—［6,5］，［6,6］—［6,5］和［6,6］—［6,6］三种方式键合，从能隙大小顺序和总能相对大小来看，［6,6］—［6,6］结构最为稳定.电子结构方面，在C60富勒烯-巴比妥酸单体中，Donor-Acceptor电荷转移体系为C60富勒烯-巴比妥酸，即电荷是从C60向巴比妥酸转移.由前线轨道和自旋布居数得知，C60富勒烯-巴比妥酸单体很好地保留了C60的电磁性质，但稳定性下降，易发生二次加成反应形成二聚体.对于C60富勒烯-巴比妥酸二聚体，Mulliken电荷分析显示，在加成四元环处的碳原子分别得到0104e和0106e电荷，而与它们邻近的碳原子则失去电子，带有正电荷，且距加成位置越近的碳原子失去的电荷越多.在远离加成位置处，碳原子的净电荷变化相对较小.与单体152eV能隙相比，二聚体中的能隙为1.45eV.其前线轨道分布与单体相比，最高占据轨道几乎未变，但最低未占据轨道发生了很大变化.

关键词:

Density functional study on the structural and electronic properties of fullerene-barbituric acid and its dimmer

1.
(1)哈尔滨工业大学威海分校，威海 264209；南京理工大学应用物理系，南京 210094; (2)南京理工大学应用物理系，南京 210094; (3)中国药科大学物理教研室，南京 210009；南京理工大学应用物理系，南京 210094

Received Date: 13 June 2007

Accepted Date: 15 November 2007

Published Online: 05 March 2008

Abstract: Geometric and electronic properties of fullerene-barbituric acid and its dimmer have been studied using density functional theory (DFT) at BLYP level with DNP basis sets. The calculation results indicate that the only one stable geometry of the fullerene-barbituric acid is that with ［6,6］ close-bond structure, and the effects of the barbituric acid on the cage structure is mainly in the local region neighboring the barbituric acid. Among the three isomers of the fullerene-barbituric acid dimmers, one can come to the conclusion both from the energy gap and from relative energy that the ［6,6］—［6,6］ structure is the most stable one. With respect to the electronic structures, the donor-acceptor system corresponds to C60 fullerene-barbituric acid, ie. electron transfers from the fullerene cage to the barbituric acid. The frontier orbitals and spin population show that C60 fullerene-barbituric acid has similar electromagnetic properties of C60, but its stability is reduced, so that the addition reaction would easily take place to form its dimmer. For the C60 fullerene-barbituric acid dimmer, the Mulliken analysis shows there are 0104e and 0106e charge transfers to the four carbons from their neighboring carbons, and the farther the atoms is, the less charge it loses. Compared with those of the C60 fullerene-barbituric acid, the energy gap is changed from 152eV to 1.45eV, while the distribution of highest occupied molecular orbital (HOMO) is little changed but that of lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) is changed a lot.

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