硼富勒烯及掺杂硼富勒烯电子结构与光谱性质的理论研究

The discovery of all-boron fullerene B40- marks the onset of a new class of boron fullerenes and boron-based nanomaterials. In this project, density functional theory (DFT) calculations are carried out to study the electronic structure and spectral properties of neutral and anionic boron fullerenes Bn0/- (n=28-50) and doped boron fullerenes MBn0/- (M=H, Li, Na, K, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, N, P, As, O, S, Se, H2O, HF et al; n=28-50).We intend to explore the structure characteristics of different sized boron fullerenes and reveal the new properties of doped boron fullerenes. In addition, Density functional theory (DFT) calculations are carried out to investigate the electronic structure and spectral properties of neutral and anionic boron fullerenes Bn0/- (n=28-50) and doped boron fullerenes MBn0/- (M=H, Li, Na, K, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, N, P, As, O, S, Se, H2O, HF et al; n=28-50) under external electric field. We intend to study the charge distribution and charge transfer under external electric field. Finally, we intend to analyze the influence of external electric field on the ground state structure and spectral properties of neutral and anionic boron fullerenes and doped boron fullerenes. Our works may provide theoretical guidance for the applications and study of boron fullerenes and boron-based nanomaterials in the future.

全硼富勒烯B40-的实验发现标志着硼富勒烯及其硼基纳米材料研究的新开端。本项目采用密度泛函理论研究不同大小中性和阴离子硼富勒烯Bn0/-（n=28-50）的电子结构与光谱特性、掺杂硼富勒烯MBn0/-（M=H, Li, Na, K, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, N, P, As, O, S, Se, H2O, HF等; n=28-50）的电子结构与光谱特性，探索不同大小硼富勒烯的结构特征，揭示掺入不同金属（非金属或分子）到硼富勒烯所产生的新特性；进一步研究硼富勒烯及掺杂硼富勒烯在外电场作用下的基态结构，并研究不同外电场作用下的电荷分布和电荷转移规律，在此基础上进一步计算硼富勒烯及掺杂硼富勒烯在外电场作用下的光谱性质，分析外电场对硼富勒烯及掺杂硼富勒烯的基态结构与光谱性质的影响。研究结果为硼富勒烯及其硼基纳米材料的研究和应用有一定的指导意义。

全硼富勒烯B40-的实验发现标志着硼富勒烯及其硼基纳米材料研究的新开端，有望导致新型硼基纳米材料的出现。本项目首先通过查阅文献，对不同大小的硼团簇Bn0/-（28≤n≤50）及掺杂硼团簇的基态结构进行了系统调研；采用密度泛函理论研究了内嵌硼富勒烯M@B400/-(M=H2,HF,H2O)的结构与光谱特性，研究表明H2,HF,H2O能嵌入到笼内形成稳定的内嵌硼富勒烯M@B400/-(M=H2,HF,H2O)，H2、HF、H2O的加入能够改变B40的光谱性质；基于密度泛函理论结合CALYPSO程序研究了碱金属原子掺杂硼团簇MB120/-(M=Li,Na,K)的基态结构和光谱性质，研究表明中性的MB12M=Li,Na,K)具有半三明治结构，阴离子的MB12-(M=Li,Na,K)具有船型结构，电荷与化学键分析可得MB12-(M=Li,Na,K)具有电荷转移复合物M+B122-的特征；基于密度泛函理论结合CALYPSO程序研究了掺Be 硼团簇BeBn0/-(n=10—15) 的基态几何结构和最低能量结构的电子结构、红外光谱、紫外可见光谱特性，研究结果表明：BeB100/−、BeB11−、BeB120/−、BeB14−具有平面或准平面结构，BeB11、BeB13、BeB13−、BeB14分别具有半三明治结构、圆锥结构、笼型结构、压扁的管状结构， BeB150/−呈现手性对称结构，这些团簇中，闭壳层结构团簇的紫外可见光谱在可见光波段都有吸收峰，开壳层结构团簇的紫外可见光谱在红外光波段都有吸收峰；基于密度泛函理论结合CALYPSO程序研究了过渡金属掺杂硼团簇MB24(M=Sc,V,Mn)的基态几何结构，然后计算了最低能量结构的电子结构、红外、拉曼、紫外可见光谱特性，研究结果表明：ScB24具有三环管状结构，Sc原子位于管内中心，VB24、MnB24具有笼型结构，V原子位于笼内中心，Mn原子偏离笼内中心一点距离；最后采用密度泛函理论方法研究了外电场对金属原子掺杂硼富勒烯M@B40(M=Ca,Na,Ba,Sr)的基态几何结构、电荷分布、电偶极矩、电子结构、红外及拉曼光谱特性的影响，研究表明外电场能够控制掺杂硼富勒烯M@B40(M=Ca,Na,Ba,Sr)电荷分布、光谱特性等。研究结果一方面可以与未来的实验研究进行对比，另一方面对硼富勒烯及其硼基纳米材料的研究和应用有一定的指导意义。