两种笼型金属团簇的结构特性理论研究

【摘要】团簇属于一种特殊的物质状态，本身具有很多奇特的性质。因此，它在化学工程、材料工程、信息工程、能源、生物以及医药等方面有着极其广泛的应用前景。其中量子点团簇因其自身的量子效应，而展现了独特的光学特性，它的表面具有较高的化学活性，不但能够引起结构的形变，而且也能引起紫外可见光吸收谱的变化；另外，相比于其它金属团簇，金纳米团簇具有强的抗氧性、优越的生物相容性、高密度和更好的光电特性，因此以金壳为基础的双金属纳米团簇的研究也因此受到了广泛关注。随着计算方法和计算机资源的快速发展，团簇的几何、电子结构以及许多重要信息都能通过第一性原理密度泛函理论进行计算求解。由于密度泛函理论计算量适中、精度较高等特点，它已经成为量子化学领域重要的理论方法。本文利用密度泛函理论来研究量子点团簇和金团簇的一系列性质。随着量子点在生物医疗领域的广泛应用，配体分子钝化量子点团簇的研究已经越来越重要。在生物体内，配体分子不仅可以保护中心量子点的电子结构，同时它的尺寸也可以影响量子点对生物膜的穿透性。所以，发展既能保持中心量子点的电子结构特性稳定，又可以调节量子点尺寸的配体分子引起了广泛的兴趣。在本文中，我们使用密度泛函方法研究了笼形(CdSe)13表面被不同数目和长度的OPMe2(CH2)nMe[n=0,1-3]配体分子钝化的结构特性。我们发现，尽管这种配体分子的存在与否可以明显的改变紫外可见光谱(Ultraviolet-Visiblespectra，简称UV-Visspectra)吸收峰的位置(大约95nm)，但当配体数目趋于饱和时，则可使得紫外可见光谱稳定。并且，配体分子的尺寸变化，不会对(CdSe)13量子点的UV-Vis谱产生明显的影响。成键特性分析显示，这是源于参与辐射跃迁的价轨道均由中心量子点提供，而与配体分子无关。类似的特性，在红外振动(InfraredVibration)谱和态密度(DensityOfStates，简称DOS)谱中也有体现。希望这一结果，可以有助于应用在生物医疗方面的钝化量子点的设计。金纳米团簇具有生物相容性好、毒性低等特点。而内嵌金属原子的金纳米团簇不但在结构上可能比中空的结构稳定，同时随着不同原子的内嵌进而可以改变自身的化学和物理性质。这对锕系元素在核医学等方面的应用，以及避免其生物毒性的研究都是非常重要的。所以在本文中我们基于一种典型的Au14笼形结构，设计了一种内嵌U原子的结构U@Au14。量子第一性原理密度泛函理论的计算结果显示，U原子的存在使得Au14结构更加稳定，并且U@Au14基态电子态为3重态。电子结构分析显示，体系的2个单占据电子主要来源于发生电荷转移之后U原子的5f轨道。另外，成键特性分析显示，内部U与金笼的成键轨道分别有U的5f、6d轨道成份和Au的5d、6s轨道成份，这体现了U和Au之间的共价相互作用。有趣的是，电子布居分析显示，此结构也是为数不多的内部得电子，外部失电子的团簇，这又展现了U和Au之间的离子相互作用。如此看来，U@Au14结构是通过U和Au之间的离子共价相互作用稳定在一起的。我们希望此项研究为以后基于锕系元素内部掺杂的金纳米团簇的合成提供理论基础，并且有助于在生物标记，药物传递等方面的应用。
【作者】高阳；
【导师】王志刚；
【作者基本信息】吉林大学，原子与分子物理，2014，硕士
【关键词】量子点；锕系元素；电子结构；自旋极化；第一性原理；

【参考文献】
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