1、1材料电子结构性质的计算模拟实验报告一、实验目的：1 了解不同层次计算模拟方法和适用对象，理解第一性原理计算模拟研究材料电子结构性质的方法。2 利用 DFT 程序对一些量子点等低维体系的几何和电子结构性质以及相关物理化学特性初步分析研究。了解宏观电、磁、光性质与微观的组分、维度、尺寸和电子组态之间的关联，并对以往所学基础课知识加以巩固提高。3 初步学会利用计算模拟方法有目的地去设计、构建、开发一些功能材料。二、实验原理及仪器和软件：实验原理：第一性原理计算模拟研究材料电子结构性质的方法实际上是通过求解体系的“HF 方程”或者“K ohn-Sham 方 程 ”从 而 得 到 体 系 电 子 能
2、级 结 构 、并 进 一 步 研 究 其 相 关 物 理 、 化 学 性 质 的 方 法 。 材 料 覆 盖 一 个 从 微 观 到 宏 观 的 尺寸 范 围 ， 由 于 人 们 对 它 的 关 注 角 度 以 及 研 究 精 度 不 同 ， 从 而 形 成 了 各 种 不 同 层次 的 研 究 方 法 。 目 前 计 算 机 模 拟 研 究 方 法 主 要 有 两 类 ： 基 于 经 验 势 的 分 子 模拟方 法 和 基 于 第 一 性 原 理 的 量 子 化 学 方 法 。 材料的许多基本物理性质是由其电子结构决定的，要确定它们的电子结构，必须采用精确的量子化学方法。但随着研究体系的复杂
3、化，精确求解体系的自洽场方程显得很困难，需引入各种假定和采用适当的模型使问题简化。仪器和软件：高性能计算机一台， ADF2008 计算软件等三、实验内容：（1） 通过几何优化，寻找量子点的最低能量状态。（2） 通过计算其振动频率，判断其是否处于势能面上的一个局域最小点，并得到其红外、拉曼光谱。（3） 通过计算其组分和整体的能量差得到其结合能和分裂能，分析体系的热稳定性。（4） 通过计算体系得（失）一个电子前后的能量差，得到亲和（电离）能。（5） 通过电离能，亲和能、前线轨道能级及 HOMO-LUMO 能隙的分析，得知其2电子的能级结构特点。（6） 通过电子布居或电子密度分析，研究体系的成键性质
4、。（7） 通过电子自旋布局或电子自旋密度分析，研究体系的磁性质。（8） 通过计算其激发态电子结构，可得到体系的电子跃迁性质，分析其电子光谱。四、实验结果一个苯环（苯环结构，苯环的能级结构图，苯环的态密度图，3俩个苯环4三个苯环5计算实例：石墨烯量子点（具体计算对象）的稳定性、电子结构和光谱性质研究计算细节：方法：DFT ；关联函数：PW91；基组：TZP数据整理： 1、 几何优化 （geometry optimization）计算整理数据如下：（1）苯环的能量、磁矩、能隙system SpinMagnetic moment Total Bond energy HOMO LUMO HOMO-LU
5、MOGap一个苯环12.4ev -1.644165 1.58781 2.43210俩个苯环15.8ev -2.435122.67542 4.54891三个苯环17.6ev -3.985613.90121 6.82549注：所有能量单位都取电子伏特：eV（2）苯环的能级结构图：6（3）苯环的态密度（DOS）图：2、振动频率(frequencies)计算整理数据如下：（1）红外谱（IR spectum）可与实验中的红外吸收光谱对照7振动光谱指认分析：苯主要有_2_ 个振动峰：第一个在 3800 波数位置处，主要源于 分子 的振动模式所激发。第二个在 500 波数位置处，主要源于 原子 的振动模式所激发。3、激发态(excited states)计算整理数据如下：（）电子光谱可与实验中的紫外-可见吸收光谱对照电子光谱指认分析：8苯主要有_2_ 个电子跃迁峰：第一个约在波长跃迁能为 位置处，主要源于 电子 的电子跃迁所产生。第二个约在波长 278nm 位置处，主要源于 原子 的电子跃迁所产生。（）苯环的电子跃迁类型分析及前线轨道图轨道图、 轨道图
