C36
2021-03-16
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维普资讯 http://www.cqvip.com 2l卷4期 2002.7 结构化学(JIEGOU HUAXUE) VO1.21.No.4 45l—456 Chinese J=Struct.Cheta. C36聚合体电子结构的理论研究① 张明昕李俊锾⑦章永凡 (福州大学化学系,福州350002) (结构化学国家重点实验室,福州350002) 采用PM3和DFT/B3LYP方法对2D六方网状,以及lD链状C36聚合体的构型进行全优 化,探讨了其电子结构和稳定性;并在从头算水平上计算了相应的能带结构.研究发现,c36 形成聚合体后构型发生了显著变化;与0D的结构比较,c36聚合为lD或2D结构后,笼内 c—c键长变化明显.计算表明c36聚合后稳定性提高,呈半导体或绝缘体性质.聚合后c36 内部C—C键定域化程度的增强是其稳定性提高的主要因素. 关键词:富勒烯,C 聚合体,能带结构,态密度,成键分析 1994年第一次成功合成出C6o的聚合物,研 究发现这类C6o固体以共价键方式形成了二聚或 多聚(一维或二维网络)的聚合物【 】.【21,突破了以往 富勒烯只存在松散的范德华力相联系的局限,开 辟了富勒烯研究的新领域。有理由相信,随着制 备、提纯技术的提高,其它笼烯也可以合成出共 价键形成的聚合物,例如关于c74和c78聚合物稳 定性和电子结构的研究【 ,计算结果表明它们的 二聚或多聚体可以稳定存在,甚至比已经合成出 的C6o聚合体还要稳定(以体系总能量平均到每个 碳原子来比较);较小的富勒烯如c36,是目前可 以分离出来的最小富勒烯【4】,Philip G.Collins等 人用STS(Scanning Tunneling Spectroscopy)研究 学性质,值得在理论上作深入的研究。本文在c36 笼分子及其衍生物电子结构研究的基础上【5】,首 次在PM3及DFT/B3LYP水平上,对C36笼的2D 网状及lD链状构型进行了研究,并在从头算水 平(B3LYP/STO.3G)上计算了相应的能带结构。同 时,着重对其2D聚合体的稳定结构、能带分布、 DOS、带隙及导电性进行了讨论。 1计算方法及模型 根据Piskoti等人的报道[41,2D C36聚合体中 的各c36笼以六方的形式排布,且每2个c36笼分 子中心之间的距离约6.68A,但c36笼分子间的具 体连接方式没有直接的实验数据。0D的c36二聚 体和1D多聚体理论计算推测【 删,相邻的2个c36 笼以腰上六元环面对面的连接方式最为稳定。因 此本文采用此种连接方式。构成c361D及2D聚 合体。 了c36固体样品,实验数据表明可能存在C36的某 种二聚体形式【5】。其后。一些实验和理论计算研 究了C36二聚或多聚(一维)的情况【 】,结果表明 c3 聚合体也可以稳定存在。因此c36也可能形成 类似C6o、C74等富勒烯1D或2D的聚合体结构。 这种新颖的富勒烯结构可能具有独特的物理和化 2001.11.2O收到;2002-03-06接受 ①国家自然科学基金(29973006)资助项目 ②李俊麓.男。1942年生.教授.博士生导师・E-mail:jqli@胁.edu.cn 维普资讯 http://www.cqvip.com 452 结构化学(JIEGOU HUAXUE)Chinese Struct.Chem. 2002 V01.2l Y (a)C36六方2D结构 (b)2D结构四聚体模型 (c)C36ID结构多聚体模型 图1.C36ID和2D聚合体结构 Fig.1.The structures of 1 dimensional and 2 dimensional C36 polymers (a)2D hexagonal C36 polymers(b)C36 tetra・polymer(C)ID C36 polymer 为了得到聚合体的单胞构型,本文选取含4 采用B3LYP/STO.3G密度泛函方法进行能带计 个及3个C36笼的多聚体(图1.b,1.c)进行构型 算。上述构型优化部分采用Guassian98程序,能 优化,初始构型中C36(D )笼内的C—C键长取自 带计算部分使用Crystal98程序完成。 文献【9lI C36一C36的分子间键长为1.56 At61。多聚 体的优化采用半经验PM3方法和基于密度泛函 2计算结果及讨论 理论的B3LYP/6.31G方法。构型优化后,取出处 于中心位置的C36笼,作为能带计算的单胞构型 2.1构型优化及稳定性 (因该碳笼具有与1D及2D聚合体中相同的配位 图1.b和1.c的模型经PM3和B3LYP方法 环境)。在得到单胞构型的基础上,所有模型均只 优化后,取其中心c36笼的结果列入图2及表1。 俯视 (x-y平面) 侧视 z平面) 固一 (a)在2 D中的C36笼结构 (b)在ID中的C36笼结构 图2.中心C36笼优化后的构型 Fig.2.optimized geometries of center C36 (a)center C36 cage in 2D polymer(b)center C36 cage in ID polymer 维普资讯 http://www.cqvip.com No.4 张明昕等:Cj6聚合体电子结构的理论研究 表I. 中心碳笼优化前后的键长(A) Table 1・Optemized Geometric of Center C36 C-gt 453 \构型优化前 、\锺 键I l 4l7 键2 键3 键4 l 5lO 1.5lO l 437 键5 1.437 键6 1.434 键7 c3 C,6. l 560 6.2l7 优 图2(a1 化 PM3 后 B3LY1P 1.4l6 l 584 l 480 l 537 1.402 1.394 1.550 668l 1.422 l 597 1.48l l 544 1403 .l 394 l 593 6.757 \\构型\锺 \ 键I a 键I b 键2 键3 键4 键5.a 键5.b 键6.a 键6b 键7 C, C36* 优 图2(b1 l 4l2 l 42l 1.575 l 492 l 543 1.387 1.44l 1.4l5 1.407 1.547 6.685 化 PM3 后 B3 l 4l7 l 428 l 602 1.494 l 553 l 393 1.440 l 4l4 1.428 l 628 6.776 ・C36一C36指相邻碳笼的中心间的距离 从图2及表1可以看到,C 形成聚合体后发 生了明显变形,图1.b多聚体模型经PM3优化的 C36一C36距离为6.681 A,与实验数据[41(6.68 A)吻 合,可见采用PM3方法所得的构型是合理的; B3LYP方法所得的键长略偏长,但与PM3方法 结果相近。 到32.340 eV(PM3)或一37304.053 eV(BaLYP),两 种方法计算的结果均证明C36聚合后稳定性提高 了。由此推测c36无限二维网状结构(图1.a)有可 能稳定存在。在保持C36笼内的C—C键不变,只 考虑单纯的分子间成键时,并未降低体系的能量, 因为图1.b的模型在未优化时,每个C36笼单元 的平均能量的计算值达38.944 eV,高于单独C36 的总能量36.993 eV,可见,C36形成2D聚合体 与未优化的C 笼比较,1D和2D单胞构型 的共同特点是,键2和键4都明显拉长,在2D 单胞中优化后增长了0.074 A(键2)和0.100 A(键 4),在lD单胞构型中增长了0.065 A(键2)和0.106 A(键4)。未优化前C36笼中各C—C键长比较接近, 的稳定性应该主要与c 6单元的结构变形调整有 关。 2.2能带结构 优化后c—c键差距增大,使体系电子云的定域性 增强,c 笼有限的 共轭体系的完整性将受到破 坏。 分别以未优化和经PM3、B3LYP优化的中心 c36笼(图1.b)作为单胞,采用从头算水平上的 Crystal 98程序计算,得到单胞能量分别为 一优化后连接2个C36笼的碳原子所处的腰上 六元环(即键4和键6所在环)平面性被破坏程度 3683 1.1 80、一36836.866、一36837.438 eV,说明 优化后的构型使单胞能量降低,体系稳定性增大。 B3LYP与PM3方法优化所得模型,再都在 B3LYP/STO一3G水平上计算各自的能带结构,得 到的能带结构十分相似,由此说明对于研究C36 聚合体,半经验PM3方法也能给出合理构型,计 算量却大大减少,值得采用。 从能带分布及DOS的计算结果可以看出构 型优化后,2D结构的费米能级(Ef)明显下降(Ef 从一0.818降至一2.748 eV),在Ef附近产生了约 3.4eV的能隙;1D体系的能隙约2.6eV,Ef也有 增大,趋于船式结构,这表明该六元环的7L"共轭 体系进一步被削弱,体系电子云的定域性增强; 与1D优化结果比较可发现,1D聚合体的共轭体 系受破坏程度较2D小,因为前者只在2个方向 形成分子间键,而2D体系在3个方向成键,可 以推测2D体系的电子云将有更强的定域性。上 述差异将使构型优化前后聚合体的电子结构明显 不同,在能带计算结果中,可以看到这些变化。 自由的C36笼分子(D6^)总能量为36.993 eV(PM3)或一37302.430 eV(BaLYP);优化后的二 维网状结构中,每个c36笼单元的平均能量降低 所下降(Ef从一1.404降至一2.562 eV)。1D和2D 的聚合体均表现为半导体或绝缘体(图3.b和图 维普资讯 http://www.cqvip.com 454 结构化学(JIEGOU HUAXUE)Chinese Struct.Chem. 2002 Vo1.21 3.d);未优化时,两种聚合体系的费米能级均穿 DOS以及 ,p , 轨道的分DOS(图4,图5)可以 过数条能带,体系则为导体(图3.a和图3.c)。优 看出,优化前后原子3(笼分子连接处的原子)在 化前后,能隙的变化与碳笼键长的平均化程度的 Ef附近晶体轨道中的成分很小以至可以忽略,因 降低有关。 此,该体系Ef附近的前线轨道参与反应时,对原 对比Ef附近各能带宽度可以看出,优化后能 子3的影响将较小。换言之,在轨道决定的化学 带趋于平缓,表明单胞间作用减弱。表l的构型 反应中,C 的2D聚合体仍有可能稳定存在,故 优化结果可以证实这一现象,优化后c36一c36的 可在不破坏2D结构的情况下,对聚合体中的c36 中心距离从6.217增大到6.68l A(PM3)或6.757 表面进行化学修饰。 A(B3LYP)。以上计算还表明,C36聚合体比单个 从图4和图5的DOS还可看出,2D体系Ef C36分子更为稳定的原因,并不只是来源于新增的 附近的占据晶体轨道中(0—-2.0 ev),在构型优化 c36分子间成键作用,而主要来自聚合后,c36分 前后,不等价原子l、2、4、5对这些轨道成分的 子内C—C键定域程度的增强;聚合前分子内C—C 贡献均有不同程度的增大,尤以原子l和2最为 键长最大差值仅约0.1 A,而聚合后1D和2D体 明显,而且其成分主要为 轨道;可见,优化后 系均可达到约0.2A。 的构型中,原子l、2所在六元环 共轭性增加, 对于2D体系(图1.a),从各个不等价原子的 有利于体系稳定。 《 —= 蔓 } 至 } ) ,一 (a)单胞未优化 (b)单胞优化后 (c)单胞未优化 (d)单胞优化后 El=一1.4036 eV Ef 一2.5623 eV Ef=一O.8180 eV Er=-2.7484 eV (1D结构的能带) (2D结构的能带) 图3. 1D和2D C36聚合体的能带结构 (图中能量零点表示体系能带的Ef相对位置,下同) Fig.3.The band structures of ID and 2D C3‘polymers 纽 ~一 未优化的c36单元 总DOs 原子l 原子2 维普资讯 http://www.cqvip.com 维普资讯 http://www.cqvip.com 456 结构化学(JIEGOU HUAXUE)Chinese Struct.Chem. 2002 V_01.2l 参考文献 (1) Nunez—Regueiro,M.;Marques,L:Hodeau,J.L.;Bethoux,O.:Perroux,M Phys.Rev.Lett.1995,74,278—28I. 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Theoretical Studies on the Electronic Structure of C36 Polymers ZHANG Ming-Xin LI Jun-Qian ZHANG Yong-Fan (Department ofChemistry,Fuzhou University,Fuzhou 3 50002,China) (State Key Laboratory ofStructural Chemistry,Fuzhou 3 50002,China) Abstract Geometries of two.dimensional hexagonal net and one.dimensional chain of C36 polymers were optimized by using the PM3 and B3LYP methods.Their electronic structures and stability were also discussed.The band structures were calculated at ab initio leve1.Compared to the 0D structure,the structure of the C36 unit in the 2D and 1D polymers changed obviously after polymerization,in which the C—C bond length inside the C36 molecule varied markedly.The calculation results showed that the stability of the system increased after forming the C36 polymers,having semi-conducting or insulating properties.The improvement ofstability ofthe polymers is due to the enhancement oflocaliaztion ofthe C—C bond. Keywords:fullerenes,C36 polymers,band structure,density of state(DOS),bonding analys ̄