基于C60分子体系电子结构性质的计算

C60分子的结构模型图  软件操作界面   C60分子是一种非常重要的C的同素异形体,具有很多优良的化学性质,是一种最稳定和很常用的富勒烯材料。本实验基于量子力学从头计算和密度泛函理论,采用DMOL3软件包和Material studio软件界面获得C60分子体系的电子结构性质的微观图形,并分析其化学性质。
  一、实验内容
  实验采用全电子的paw_pbe的泛函计算,C60的分子结构图如图1所示。
  a. Material studio和DMOL3软件包的操作界面如图2所示,图中给出了模拟计算的主要实验内容在软件上的实现过程。实验获得C60分子可视化的总电荷密度和差分电荷密度(图3)。C60分子的总电荷密度和差分电荷密度图(从左往右)结果显示,其总的电子密度分布于笼子的内外,也间接反映出其中碳是sp2杂化,有利于形成大π键;而从其差分电荷密度看出碳碳之间是共价键。
  b. 绘制C60分子的前线轨道(HOMO与LUMO),黄色和绿色分别代表轨道(电子波函数)的正负(图4)。C60有[5,6](五元环和六元环之间)和[6,6](两个六元环之间)两种键长,前线轨道结果图基本反映其活性位点会在这两种键之间;又由于C60笼内有很大的空间,所以在特定条件是能发生一定的开孔或加成反应。
  c. 绘制C60分子的FUKUI function,模拟实验软件操作界面和输出结果如图5所示。从FUKUN function结果图上可以看出,f(+)外面的电荷密度梯度的轮廓远大于其他的两种,所以易发生亲核反应,体系易和给电子体系进行反应。C60分子的前线轨道图(从左往右HOMO→LUMO)
  d. 用origin软件画出C60分子的分子能级图。图6所示的态密度图结果显示,C60是有一定带隙的半导体。
  二、功能及效果
  本实验初步学习了采用DMOL3程序计算分子体系电子结构性质的过程,获得了C60分子的总电荷密度图和差分电荷密度、C60分子的前线轨道(HOMO与LUMO)、C60分子的FUKUI function和态密度等微观的电子结构图形和相应的数据结果;直观了解了C60分子优良的化学性质,如亲电与亲核加成反应、氧化反应、开环反应,以及与这些微观电子结构间的关系。这是传统的实验方法所不能涉及的。

C60分子的FUKUN function示意图(从左到右:f(+)、f(0)、f(-))  C60分子的态密度图

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