摘要：采用密度泛函理论（DFT)中的杂化密度泛函（B3LYP）方法，在6-31g基组水平上对C30Li，C30Na及C30Mg进行了几何参数全优化，得到了基态构型，并对其稳定性、电子性质，光谱，磁矩和芳香性等性质进行了计算研究。结果表明：碱金属的加入使得富勒烯C30的平均结合能降低，C30Mg的化学稳定性是三者中最差的，C30Li的化学稳定性是最好的；s、p轨道杂化不仅发生在C原子内部，在C原子之间也有杂化现象；C30Li，C30Na和C30Mg的IR光谱都有较多的振动峰；C原子的局域磁矩主要由2P轨道提供，其磁性能大部分归结于2P轨道；三种分子的极化率张量主要分布在XX、YY、ZZ三个方向上，在XY、XZ、YZ三个方向上分布较少，甚至在XZ、YZ方向上其分量几乎为零；团簇具有多重芳香性，C30Na分子的密堆积性相比较其他两种掺杂结构要弱一点。

关键词：C30Li，C30Na，C30Mg，C30，碱金属，密度泛函理论

Abstract：The geometrical parameters of C30Li, C30Na and C30Mg were optimized by using hybrid density functional theory through 6-31g basis set to get theirs ground state configurations,and then we studied the properties of theirs stability, electronic properties, spectrum, magnetic moment and aroma. The results show that the addition of alkali metal reduced the average binding energy of the fullerene C30, and the chemical stability of C30Mg is the worst among the three, while the chemical stability of C30Li is the best. S, P-channel hybridization occurs both in the C atom and between the C atoms. The IR spectrum of C30Li, C30Na and C30Mg are all have many vibration peaks. 2P orbit is the main provider of local magnetic moments of C atoms, and most of the magnetic properties are pinned on the 2P orbit. Polarization tensor is mainly distributed in the direction of XX, YY, ZZ, and the distribution of tensor of the three molecules in the XY, XZ, YZ direction is few, even close to zero in the XZ, YZ direction. Clusters have multiple aroma, and the compactness of C30Na molecule is weaker than that of the other two structures.

Keywords:C30Li，C30Na，C30Mg，C30，alkali metal，hybrid density functional theory

目 录

第一章绪论 1

第二章Gaussian09程序的原理 2

2.1第一性原理及密度泛函理论 2

2.2Gaussian09程序的使用及计算说明 3

第三章富勒烯C30掺杂碱金属结构特性分析 5

3.1基态结构 5

3.2稳定性分析 5

3.2.1平均结合能 5

3.2.2吸附能 6

3.2.3能隙 7

3.3自然键轨道（NBO）分析 7

3.4振动光谱分析 10

3.5磁矩分析 12

3.6极化率分析 14

3.7芳香性 15

第四章总结 18

致谢 20

参考文献 21

第一章绪论

近年来，富勒烯分子成为物理、化学、材料学等学科的活跃领域之一，其独特的光学、电学、物理和化学特性引起了各国团簇科学家的广泛重视和研究[1-7]，在物理、化学、电子、材料与生命科学等领域显示出了庞大的应用潜力，其研究价值不言而喻。异质富勒烯相比于单纯的富勒烯分子来说，其光电以及物理化学特性会有一些新的可能性，因此对异质富勒烯分子的结构及其稳定性的研究是十分有意义的。就内容来看，到目前为止对掺杂富勒烯的研究，主要包括以下几个方面：笼内掺杂富勒烯的研究、笼外掺杂富勒烯的研究、杂笼富勒烯的研究等。但是,大部分的研究针对于较大的大分子富勒烯，而对于分子结构更小的富勒烯C30，研究还不是很多，这可能是小分子富勒烯的实验合成条件极其严格，且很难控制，导致其产量非常低的缘故。富勒烯C30具有中空笼状结构，可以将原子或者小分子掺杂其中形成内掺富勒烯，以改变其物理、化学性质。本实验利用密度泛函理论,采用guassview计算软件研究小分子富勒烯C30掺杂碱金属结构的稳定构型，确定其基态结构，并对基态结构的稳定性、电子性能和光学性质等进行系统的研究。