基于Al17团簇的量子尖端效应

For a charged conductor, the surface charge density on the tip is much larger than that at the smooth area, which results in the large electric field intensity on the tip. Then the tip is prone to discharge. This phenomenon is called the point effect. Due to the remarkable surface effect, microscopic metal particles are quite distinct from the macroscopic charged metals. Based on the quick development of nanotechnologies from the new century, there are continuous interests in nanoparticles due to their great applications in optics, iatrology, electromagnetics, catalysis, thermodynamics etc.. However, few investigations on the tip effect of microscopic metal particles are found. Based on the Al17 cluster, we want to study the energy levels, HOMO-LUMO gaps, spatial distributions of the frontier molecular orbitals, electric field intensities and adsorption behaviors of the neutral and charged metal nanoclusters. The prevalent rules of quantum tip effect for the metal nanoclusters are hoped to be discovered. We hope to introduce the concept of tip effect into the microscopic field.

尖端效应是指在同一带电导体上,与平滑部位相比,其尖端部位电荷面密度较大,尖端附近的电场强度较强,且容易由尖端向周围空气或邻近的接地体放电的现象。 微观金属粒子与宏观带电导体具有明显的差异，其具有较大的表面区域，表面效应明显，虽然二十一世纪以来，随着纳米技术的蓬勃发展，纳米粒子在光学、医学、电磁学、催化学、热力学等方面的应用得到越来广泛的研究和应用，然而我们却未发现对微观金属粒子尖端效应的系统研究。本课题以Al17团簇为基础，旨在通过研究中性及带电金属团簇的能级、前线分子轨道能隙和空间分布、电场强度分布以及其与极性和非极性分子的吸附行为找出金属纳米粒子量子尖端效应的普遍规律。研究结果有利于将宏观尖端效应的概念拓展至微观领域。

尖端效应是指在同一带电导体上，与平滑部位相比，其尖端部位的电荷面密度较大,尖端附近的电场强度较强，且容易形成由尖端向周围空气或邻近的接地体放电的现象。经典物理中对这类问题的研究已经非常成熟。然而，微观金属粒子与宏观带电导体具有明显的差异，其具有较大的表面区域，表面效应明显，我们对微观金属粒子的尖端效应进行了系统深入的研究。首先，我们研究了Al17n± (n=0-3)团簇的最高占据轨道和最低空轨道的空间分布规律，发现在没有缺陷（杂质、空穴等）的前提下，自由电子倾向于优先占据曲率较大的原子位置；其次，我们对(Al17H2O)n± (n=0-3)吸附体系的几何结构和电子结构进行了系统研究，结果发现带负电的Al17团簇倾向于亲氢吸附而中性及阳离子团簇倾向于亲氧吸附，并且亲氢吸附体系中分子倾向于垂直吸附，而亲氧吸附体系中分子倾向于平行吸附。此外我们还发现与亲氢吸附系统相比，亲氧吸附系统中H2O分子质心与团簇的距离较近，H2O分子质心处电场强度较大，并且与团簇具有更多的电子杂化。不管是亲氢吸附系统还是亲氧吸附系统，O-H键都增长了约0.01 Å，并且O-H振动频率都有不同程度的降低。这一系列的特征与宏观尖端效应有一定的相似性，据此我们提出了量子尖端效应的概念并总结了一般规律。把微观尺度下离子的形貌对其电子结构和催化吸附性能的影响作为一个独立的效应进行研究，有利于纳米颗粒对材料表面的改性、纳米锥对可见光吸收的增强等机理的研究，对系统地完善材料改性理论具有重要的意义。