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本科生毕业论文（设计）册学院物理科学与信息工程学院专业物理学班级物理一班学生郭静静指导教师刘英教授河北师范大学本科毕业论文（设计）任务书编号：论文（设计）题目：笼状金属碳烯Au60Si12的研究学院：物理科学与信息工程学院专业：物理学班级：物理一班学生姓名：郭静静学号：2011013735指导教师：刘英职称：教授1、论文（设计）研究目标及主要任务（1）、对构造的Au60Si12团簇进行几何优化，得到最优的结果后进行相关的计算（2）、在几何优化的基础上，对该结构的电子结构特性进行计算分析（3）、利用分子动力学模拟进一步判断该结构的稳定性2、论文（设计）的主要内容（1）、本文在阅读大量文献的基础上，详细介绍了几种常见的金团簇，包括Au32、Au42、Au72。（2）、简单介绍了计算过程中所使用的计算软件、计算方法以及相应的理论基础。（3）、对计算得到的结果进行了简单的分析讨论，包括分析该结构的电子态密度、差分电荷密度、电荷转移情况、以及轨道分布情况等。3、论文（设计）的基础条件及研究路线计算条件:应用学院的计算机群和计算软件,可以快速得到计算结果.知识条件:具备一定的密度泛函理论知识和量子化学知识.研究路线:通过查考相关文献结合自己的思路进行探索研究.4、主要参考文献(1)、MikaelP.Johansson,DageSundholm,andJuhaVaara.Angew.Chem.Int.Ed.43,2678–2681,(2004).(2)、X.Gu,M.Ji,S.H.Wei,andX.G.Gong.PHYSICALREVIEWB70,205401,(2004).(3)、YiGaoandXiaoChengZeng.J.AM.CHEM.SOC.,127,3698-3699,(2005).(4)、AnttiJ.Karttunen,MikkoLinnolahti,TapaniA.PakkanenandPekkaPyykko.Chem.Commun.,465–467,(2008).(5)、JingWang,HuaNing,Qing-MinMa,YingLiu,andYou-ChengLi.J.Chem.Phys.134705,129,(2008).(6)、Cleveland,C.L.;Landman,U.;Schaaff,T.G.;Shafigullin,M.N.;Stephens,P.W.;Whetten,R.L.Phys.ReV.Lett.1873，79,(1997).(7)、Koga,K.;Takeo,H.;Ikeda,T.;Ohshima,K.Phys.ReV,4053,57,(1998).(8)、Darby,S.;Mortimer-Jones,T.V.;Johnston,R.L.;Roberts,C.J.Chem.Phys.1536,116,(2002).(9)、Johansson,M.P.;Sundholm,D.;Vaara,J.Angew.Chem.,Int.Ed.2678,43,(2004).(10)、Gu,X.;Ji,M.;Wei,S.H.;Gong,X.G.Phys.ReV.205401,70,(2004).5、计划进度阶段起止日期1确定论文题目2014.11.16-2015.1.12查找论文资料，阅读、分析、整合2015.1.2-2015.3.203完成论文初稿，毕业论文中期检查2015.3.21-2015.3.234修改论文，完成论文定稿、打印，准备答辩2015.4.1-2015.4.205论文修改,打印,进行答辩2015.4.21-2015.5.10指导教师：年月日教研室主任：年月日注：一式三份，学院（系）、指导教师、学生各一份河北师范大学本科生毕业论文（设计）开题报告书物理科学与信息工程学院物理学专业2011届学生姓名郭静静论文（设计）题目笼状金属碳烯Au60Si12的研究指导教师刘英专业职称教授所属教研室热统组研究方向材料模拟与设计课题论证：近年来，人们对于金团簇研究的兴趣在不断增加。与此同时，一些混合金团簇的研究也随之展开。本文在Au72团簇结构的基础上，构造出了Au60Si12团簇。本文中，我们以密度泛函理论为理论基础，利用Materialstudio中的Dmol3软件包对其相关性质进行计算分析。进而进一步讨论该结构的特性。这项研究也将对促进混合金团簇的研究有重大意义。方案设计1、通过阅读文献，了解有关金团簇的研究现状，并在绪论部分对其做简单总结。2、简单介绍密度泛函理论以及计算时用到的软件和相应的参数设置。3、对计算得到的数据进行处理，画出相应的图像，进而分析该结构的电子特性等。进度计划：2014.12.16-2015.3.1相关文献的检索和学习2015.3.2-2015.3.20得到优化后的Au60Si12团簇，准备对该结构进行进一步的分析。2015.3.21-2015.3.31对优化后的结构进行能量、分子动力学的计算，得到原始的数据。2015.4.1-2015.4.20利用相应的作图软件对得到的数据进行作图处理，对得到的结果进行分析，最终给出这个结构的电子特性。2015.4.21-2015.5.10论文修改答辩指导教师意见：指导教师签名：年月日教研室意见：教研室主任签名：年月日河北师范大学本科生毕业论文（设计）文献综述包括国内外研究现状、发展趋势、存在问题、参考文献依据，对文献资料进行概括、分析。多年来，金纳米结构吸引了很多物理实验家和理论家的注意。近些年来，由于其在生物学、催化作用以及纳米技术上的广泛应用，人们对含金结构的研究兴趣逐渐增加。其中，金团簇的研究尤为引人注目。随着研究的不断继续，关于金中空笼子，实验已经观测到16到18个原子体系。较大的，如二十面体的Au32在理论上已经被预测。尽管关于金纳米结构的研究已经取得很大的成就，但是许多未知的金纳米结构及其同分异构体仍值得我们研究。2004年，MikaelP.Johansson、DageSundholm和JuhaVaara利用相对论量子计算预测了一种稳定的同分异构体的存在：二十面体金富勒烯Au32。这是第一个全部由金原子组成的富勒烯。它的结构是中空球形的（球的直径大约是0.9nm），同C60的结构非常相似。此外，标量相对论密度泛函理论的计算表明，Au32是最小的二十面体富勒烯。Au32是一个闭合壳层的分子，在边界轨道上有相当大的能隙，这是Au32结构稳定的重要原因。在此之后，人们又研究了一系列金富勒烯的相关结构。继关于Au32结构预测被报道之后，YiGao和XiaoChengZeng于2005年提出Au42结构，一个可供选择的金富勒烯笼子。Au42是闭合壳层的富勒烯，它具有较高的稳定性。Au42是以C80富勒烯为模板构建的，因此其具有Ih对称性。除此之外Au42的中空结构可以容纳13个金原子。不同于已知的Au32富勒烯，Au42富勒烯不满足2(N+1)2的芳香族原则，这使得Au42的稳定性较低，且其存的小的分子轨道间隙尤为引人注目。人们所预测的Au32、Au42这两种金富勒烯，都可以在其中空的结构中容纳其他的原子或分子，这将推动基础化学的研究向前发展。2007年，AnttiJ.Karttunen,aMikkoLinnolahti,*aTapaniA.Pakkanena和PekkaPyykko通过量子化学计算预测了Au72具有球芳香性、高热力学稳定性和Ih对称性的金富勒烯。在我们关注中立的金团簇，以2(N+1)2(N=5)的标准填充球形芳香性化合物的结构的笼子是Au72。从一系列的二十面体的笼子组成联合的多面体的角度出发，72个金原子构建金笼子的原则可以被合理说明。Au72金笼子是遵循孤立五边形原则的最小稳定富勒烯。如果在实验上能够合成具有I对称性的Au72，这将不仅是一个新奇的金纳米结构，也是一个异常的二十面体对称的手性分子。尽管取得了这些瞩目的成就，然而到目前为止，所观测到的中型金团簇都是空间紧凑的结构，且在实验室中未能合成类似于笼子状的结构。故金团簇的研究对于物理学家来说仍然是一个挑战。这其中既有各式各样的团簇结构，又有千变万化的同分异构体。此外，金团簇的研究也将推动其在生物学、催化作用以及纳米技术上的应用继续向前发展。河北师范大学本科生毕业论文（设计）翻译文章列出参阅的外文文献资料的篇目，对其中与研究课题相关的重要文献进行翻译，注明原文的出处并附原文（附在后面）。C60富勒烯的发现后，一些非C的其他元素即B2aP2b和Au3据报道已经能够组成中空的基本牢笼。金是已知的唯一可以组成中空牢笼的金属，其这一特性可以追溯到相对特性和嗜金属的吸引。除了其不同寻常的结构特点之外，金团簇由于其多样的催化应用变得特别吸引人。关于金中空笼子，实验已经观测到16到18个原子体系。较大的，如二十面体的Au32理论上已经被预测。在此，我们指出可能存在的Au72，一个中空的金纳米球，表现出异常的二十面体手性。Au72具有强烈稳定的球芳香性和I对称性，其所表现的热力学性质是之前报道的金笼子所青睐的。包括实验中观测到的Au18和四面体的Au20。多至大约11到13个原子组成的阴离子金团簇是二维平面的，在其之上的三维结构更受偏爱。考虑中立的金团簇，人们偏爱实验观察到的四面体锥体形状的Au20是合理的。即考虑20对四面体团簇是一个神奇的数字，通过电子和原子核结构可以稳定其四边形结构。一个2(N+1)2(N=3)为标准填充芳香性化合物的二十面体的Au32笼子，其活跃程度高于Au20。研究发现，温度超过大约300k时中间填充其他分子或原子的Au32同分异构体在热力学稳定性上高于中空的Au32笼子。二十面体的金笼子在大小上是Au42，理论上已预测它的存在。不同于Au32，Au42笼子不是球形芳香性的，这导致了较低稳定性和小的值得注意的分子轨道间隙。最近预测了D6d对称性的Au50笼子反过来遵守2(N+1)2(N=4)规则。在先前报道的中空的笼子中Au50的最高的热力学稳定性进一步强调稳定球芳香性化合物结构的影响。比Au50更大的中空金笼子不好被理解。我们关注中立的金团簇，以2(N+1)2(N=5)为标准填充球芳香性化合物的结构的笼子是Au72。从一系列的二十面体笼子组成联合的多面体的角度出发，72个金原子构建金笼子的原则可以被合理说明。二十面体系列中的第一个成员是Au12二十面体。然而它不是一个闭合壳层体系且是不稳定的，可以被合成一个像W的内在原子的状态。下一个成员是Au32，可由一个二十面体结合一个十二面体来推断其结构。相应的，二十面体的Au42是由二十面体和三十二面体结合而成的。类比Au12、Au32、Au42的构建原则，我们可以推断二十面体系列的下一个成员可通过将二十面体和制动十二面体组合，得到的结果就是Au72：球状芳香的手性具有I对称性的笼子。除了通过结合多面体的方式来描述其结构，另一种使金笼子二十面体系列合理化的可行的方法是逐渐增大相邻五元环之间的距离。Au12是由12个混合的五元环组成。在Au32中，每个五元环同相邻的五角形共用两个原子，然而在Au42中，每个五角形与其相邻的五角形共用一个原子。在Au72中，五角形中的每一个原子，通过由三个金原子构成的三角形被束缚在相邻的五角形之间。因此，具有I对称性的Au72是该系列中首个遵守孤立五角形原则的的成员，结构特性同C60富勒烯相近，其主要的贡献是它不同寻常的稳定性，正如富勒烯，混合的五角形较孤立的五角形而言引入更大的结构链。在Au72之后，下一个二十面体系列的成员将是先前报道的Au92。然而，这是一个开壳层，且没有填充特定的球形芳香性化合结构。就全部能量而言，二十面体的Au72同先前报道的中空金笼子相比明显受人们喜爱，吉布斯更正了总的能量，但不改变其稳定顺序。Au72振动频率的变化范围是22cm-1到163cm-1，MP2方法较DFT方法而言更多的考虑了亲金的吸引力，甚至或许更高的估计了其稳定效果。值得注意的是由72个金原子组成的金团簇已经由脉冲激光沉积所制得，但是没有关注到其分子结构。团簇的光