限域诱导含有f价壳层电子的金属纳米尺度系统电子结构理论研究

Metal atoms containing f valence electrons and their compounds or clusters under confined environment of low-dimentional carbon nanostructures can form unique stable closed-shell electron configuration through transferring charges to the environment. The complex correlation between f valence electrons and carbon sp electrons reflected by such confined nanoscale metal systems (CNMS) is a challenge in fundamental theoretical research, meanwhile brings a new hope to modulate the electronic structure of CNMS in practical applications. In this project, we propose to engineer the electronic structures of CNMS using a new approach, i.e. changing the structure of the confining carbon material. Towards the goal, we will use first-principles density functional theory calculation combining potential energy surface construction and dynamic simulations to study the effect of the confinement environment change on the CNMS electronic structures and the impact of adsorption behaviors of water, amino acid and other functional small molecules on the CNMS electronic structure, meanwhile, for systems containing f valence electrons, develop appropriate methods for analyzing their charge and energy transfers. The results will be helpful for enriching and developing CNMS with a novel approach for promoting their applications in physics and interdisciplinary fields across materials, biomedicine and nuclear science.

含有f价壳层电子的金属原子以及它形成的分子或团簇，与纳米尺度碳低维结构之间，可通过电荷转移而形成独特的稳定闭壳电子排布。这种限域纳米金属系统（CNMS）体现出的f价壳层电子与碳sp价电子之间的复杂关联，即是基础理论研究的重要挑战，同时也带来了实际调控CNMS电子结构的新希望。本研究从一个新的角度，即通过改变纳米限域环境的结构，实现对含有f价壳层电子的限域系统电子态调控。我们将运用第一性原理密度泛函理论方法，结合势能面构建与动力学模拟，研究纳米尺度碳低维结构的变化对CNMS电子结构的影响，以及环境中的水、氨基酸等分子吸附对CNMS结构特性的影响，并发展适用于含有f价壳层电子的电荷和能量转移分析方法。本课题，将有助于更为深刻地理解f价壳层电子与构成限域环境的碳sp价电子等的相互作用特性，并从一个新的角度丰富和发展CNMS，以对其在物理学及相交叉的生物医学、材料学及核科学中的应用起到促进作用。

长期以来，f价壳层电子一直是原子层次理论研究的难点和关键所在，限域更是获得新现象、新效应的重要途径，本项目针对含有f电子的金属纳米尺度系统（CNMS）电子结构进行限域特性研究，具有重要的基础和应用价值，取得了系统性进展。一，我们对缺陷诱导的CNMS电子态结构形成了重要规律认识，发现了自旋极化会带来分子间作用系统振动频率的移动，发现了5f电子与碳sp电子关联可导致非磁性的电子自旋极化态并给出了机制解释，发现了与5f电子能级移动密切相关的超原子稳定性规律；二，以含有5f电子的锕系超原子CNMS为基底来吸附有机分子，我们发现了强烈的表面增强Raman散射（SERS）效应，拓展了对SERS的电荷转移增强认识。并进一步开展了含有5f电子的超原子间作用特性研究，构建了超原子间与超原子内作用共存的势能面；三，对含有5f电子的分子间作用CNMS进行了第一性原理势能面与动力学模拟结合研究，我们揭示出电子自旋极化可以作为一个全新的维度，对超原子间作用体系进行组装过程调控；四，我们发展了适用于5f价壳层电子的赝势方法并将其应用到输运特性研究中，发现了由5f电子引起的弹道效应。我们比较了不同的第一性原理密度泛函方法，揭示了电子非动态关联在含有f电子的CNMS结构中具有重要影响；五，通过包括本项目在内的长期相关工作努力，我们于2020年在学术界提出了“超原子物理学（Superatomic Physics）”新方向，期待能够对原子层次的科学进步起到积极作用。可见，通过本研究的开展和顺利完成，有助于深刻地理解含有f价壳层电子的金属纳米尺度系统电子结构理论，对限域效应的影响形成了重要规律性把握。截至目前，本项目研究已发表学术论文37篇，其中34篇发表于SCI检索期刊。项目组参加国际国内学术会议并作各种报告24次。项目负责人培养博士、硕士、学士学位获得者10人，获得吉林省优秀博士、优秀硕士学位论文5次，吉林大学优秀博士、硕士、学士学位论文5次。综上所述，通过本项目的实施，在人才培养和科学研究方面均取得了成绩。