论文摘要
过去十年中，随着计算机硬件的飞速发展和量子化学计算方法的不断完善，计算模拟手段为人们对新物质性质的预测、新材料及其工艺的设计等领域提供了全新的视角和强大的工具，目前已经被成功的应用于药物和材料设计等工业领域。本论文利用密度泛函理论模拟计算方法，分别研究了半导体表面的富勒烯功能薄膜材料和过渡金属团簇结构、物理性质及其氢催化能力，具体内容如下：一．半导体表面的富勒烯功能薄膜材料当前的大规模集成电路（ULSI）中主要应用的半导体材料是硅（Si）和砷化镓（GaAs）。当芯片集成度极高时，层间、线间的互连寄生电阻和电容导致的延迟、串扰和功耗就成为提升芯片性能的巨大阻碍，解决这些问题的关键在于发展介电常数合适的层间和线间充填材料。目前广泛使用的技术是利用PECVD等方法沉积SiOF等薄膜作为低介电常数材料，然而其工艺稳定性和薄膜的介电常数都难以满足芯片特征尺寸进一步降低（如从65nm或更小）的要求。富勒烯被认为是最有潜力的一种低介电常数材料，它们除具有良好的热稳定性和机械强度外，其球形多孔结构使膜的介电常数可以在一个较宽的范围内调节。富勒烯分子自身的曲率和高度离域化的π轨道等特性，使得它们可以与半导体重构表面上的悬挂健和二聚体发生化学作用，从而实现在Si或GaAs的表面可控生长。很显然，基底表面与薄膜层之间的相互作用将决定系统的物理化学性质和电子特性。因此，本文系统的计算了系列富勒烯分子Cn（n=28，32，36，40，44，48，60）在GaAs（001）-c（4×4）和Si（001）-c（2×1）重构表面的吸附，获得的主要结论有：1在GaAs（001）-c（4×4）和Si（001）-c（2×1）重构表面的表面上，富勒烯分子与基体之间都形成了稳定的共价键，电荷从基底向富勒烯分子转移，通常随着分子尺寸的增大，吸附能和电荷转移量均呈下降趋势。吸附过程中可以观察到基底的晶格和富勒烯分子的松弛，松弛的程度取决于吸附位和富勒烯分子的取向；2富勒烯分子以六元环朝下的方式吸附在富砷的GaAs（001）-c（4×4）表面的沟槽位置最为稳定，位于表面沟槽中的因配位数不饱和而具有悬挂键的砷原子对于富勒烯分子的吸附起着关键作用。表面的双二聚体位也可与富勒烯分子发生[2+2]或者[4+2]环加成反应，但吸附强度要低得多；3富勒烯分子在Si（001）-c（2×1）重构表面的吸附比在GaAs表面更加强烈。吸附方式主要通过富勒烯分子的-C=C-双键和硅表面的-Si=Si-之间的π键来发生环加成反应，表面的双二聚体位和沟槽位的吸附能相近，且稳定吸附结构的富勒烯分子取向无特定规律。与在GaAs表面类似，附能和电荷转移量随着富勒烯分子增大均呈下降趋势，较大的富勒烯分子更倾向于在表面双二聚体位吸附而在沟槽位吸附变得稍难，这主要是由于沟槽位空间不足的缘故；4在吸附位附近，富勒烯分子的曲率对其与表面之间的局部成键强度有重要影响，曲率越大，则成键越强，因此随着分子尺寸增大，吸附能逐渐降低。同时，富勒烯分子在气相中的稳定性及其对称性也起着重要作用，例如C32的气相稳定性仅次于C60，因而其在两类表面上的吸附能相对于临近的富勒烯分子来说都要低；高对称性的分子可以用最优的取向与表面之间形成更多的化学键，因而吸附能会相对更高；5电子态密度分析表明，覆盖了富勒烯单分子层的硅和砷化镓表面，其电子特性会根据富勒烯分子的不同和两者之间相互作用方式的不同而呈现出不同的金属或半导体特征。由此可见，可以采用不同尺寸的富勒烯分子来实现对表面性质的改变，这种富勒烯功能薄膜将大大丰富半导体的表面特征。二．贵过渡金属团簇结构、物理性质和氢催化能力纳米级、亚纳米级过渡金属团簇在催化剂、半导体、传感器和磁存储材料等方面拥有巨大应用前景，是当前凝聚态物理等领域非常活跃和重要的研究课题。对过渡金属团簇的结构、生长演化、电子特性及结合能等方面的研究可以为其实际应用打下良好的基础，而最热点的研究则集中在团簇的催化能力方面。通常催化剂颗粒分散在氧化铝等载体表面，其催化活性主要来源于表面缺陷如台阶、梯级和拐折等位置。而团簇的尺寸小、比表面积大、表面缺陷丰富，为研究气相分子的催化裂解提供了一个很好的模型。传统方法模拟异相催化氢化反应通常只讨论少量气体分子覆盖的情形下的解离情况。而真实催化条件下，催化剂的表面总是完全被气相分子覆盖（即饱和状态）。因此，本文研究了铂（Pt）和钯（Pd）小团簇的结构、物理性质以及在氧化铝表面的吸附，并且研究了在氢饱和状态下的Pt和Pd小团簇的催化裂解氢的活性。获得的主要结论有：1 Ptn和Pdn（n=2-15）的小团簇结构：原子数相同的团簇通常都具有若干能量相近的同分异构体。尽管拓扑构型上可能会有较大差别，从热力学的角度，这些异构体能够共存；从动力学的角度，异构体之间的互相转变所需的能垒很低，这意味着即便在温和的条件下它们也能够互相转化。对于Ptn和Pdn团簇，其离子化势（IP）、电子亲和能（EA）和磁矩（μ）都与团簇的尺寸和结构有关。能量最低的结构由于其电子成对效应更强，因而其离子化势更高、电子亲和能更低、磁矩更小；2团簇的从小到大直至块体的生长演化中存在着紧密堆积、二十面体、面心立方等三种生长模式。在亚纳米尺度，无论是Pt还是Pd小团簇都将采取紧密三角形堆积模式；在n≥19时，Pt的生长模式更倾向于二十面体方式生长，而Pd的相变点则发生在n=13。在n≥38以后，Pt团簇将会采取面心立方形式生长，而对于Pd，由于本文所计算的尺寸所限，尚未找到从二十面体到面心立方模式的相变点；3对Pt单原子、Ptn（n=2-5）小团簇和Pt单分子层在α-Al2O3（0001）表面的吸附反应的计算结果表明：无论以何种形式，Pt原子或小团簇在氧化铝表面的吸附都很稳定，其稳定吸附发生在表面的O3位置。吸附过程同时对应着团簇结构和基底的松弛或解离，而且随着团簇变大，松弛程度变小。值得注意的是，n≥3的团簇更倾向于以其三角形的面朝向基底吸附，以充分利用表面的O3提供的活性反应位。团簇在氧化铝表面的吸附作用主要源于Pt原子与表面O原子之间的电荷转移。由于Pt-Pt之间的相互作用强于Pt-O相互作用，在Pt催化剂担量较高的情况下，均匀铺展会相对较难，而团聚则很容易发生；4氢分子在Ptn和Pdn小团簇上的解离能垒非常低。随着氢覆盖度增加，团簇的结构通常会发生膨胀；尤其对于高对称的二十面体团簇来说，其结构甚至发生了重构。团簇结构的变化主要源于金属与氢之间的相互作用，氢覆盖度越高，电子从金属向氢流动的越多，因而降低了金属与金属之间的结合强度。对这些体系的电子态密度分析也表明，随着氢覆盖度增加，由于金属的d轨道与氢原子的1s轨道之间的强烈重叠，体系的禁带宽度逐渐减小，在达到氢饱和时降至最低，对于较大的团簇甚至体现出一定的金属性质；5氢分子在Ptn和Pdn团簇上的连续化学解离吸附能(△ECE)和氢原子从团簇上相继脱附的脱附能(△EDE)与氢覆盖度密切相关。当覆盖度增加时，二者都呈下降趋势。在饱和氢吸附态下，Ptn（4≤n≤9）紧密堆积型团簇的氢分子连续化学解离吸附能极限值△ECE,PtT在0．92-0．96 eV之间，而氢原子的相继脱附能极限值△EDE,PtT在2．45-2．62 eV之间；对于Pdn（4≤n≤9）紧密堆积型团簇，这两组数值的范围分别为0．6-0．9 eV和2．29-2．80 eV。进一步的，尽管高对称的二十面体团簇在连续吸附过程中会发生结构重构，在饱和氢吸附态下，Pt的两个极限值分别为0．90 eV和2．02 eV，NPd则为0．73eV和2．10eV，仍然在上述范围之内或附近。饱和吸附态时，Pt团簇的Pt：H比为1：4，而Pd团簇Pd：H比则为1：2。因此，氢饱和状态下氢分子在团簇上的连续化学解离吸附能(△ECET)、氢原子相继脱附能(△EDET)和金属与氢的比率等重要的性质与团簇的尺寸大小和形状是无关的；团簇的氢催化能力应该只与表面能够与氢发生反应的有效金属原子数有关。这种研究在气相饱和吸附状态下的关键性质的方法不仅仅适用于氢气，同样适用于O2、CO和NOx等气体，如研究燃料电池的异相催化环境或催化剂中毒等问题。这些研究工作将有助于从一个全新的角度去考虑设计和发展新型的廉价高效的过渡金属催化剂。