摘要：氧化还原电动势是了解核酸中电荷/电子转移过程以及设计具有新型氧化还原活性的碱基类化合物的重要参数.本文对82个芳香化合物的氧化还原电动势进行理论预测,通过计算值和实验值的比较发现:气相采用B3LYP/6-311++G(2df,2p)//B3LYP/6-31+G(d)方法,液相采用HF-COSMORS/UAHF方法,对运用HF-CPCM/UAHF方法在水相重新优化的构型计算溶剂化能,能有效预测芳香化合物水相氧化还原电动势,该理论方法计算的绝对均方根误差(RMSD)为0.124V.运用该理论方法成功预测了属于芳香化合物的核酸碱基及其代谢物的水相氧化还原电动势.根据预测结果,讨论了核酸中电荷/电子转移过程以及结构改变对设计具有新型氧化还原活性的核酸碱基类化合物的影响.本文为设计具有氧化还原活性的新型核酸碱基类化合物提供了一种理论方法.

摘要：自旋翻转和自旋转移是实现基于内嵌富勒体系自旋逻辑功能器件设计的先决条件.本文以双磁性中心内嵌富勒烯Y_2C_2@C8_2-C_2(1)体系为例,采用第一性原理计算方法,结合Λ进程理论模型和自编的遗传算法程序,在该内嵌富勒烯体系中分别实现了亚皮秒时间尺度内的自旋翻转和自旋转移过程.计算结果表明,优化后的内嵌Y_2C_2团簇结构和实验得到的各项数据基本吻合,并且会对外部的C8_2-C_2(1)笼结构产生一定的排斥力,但由于富勒烯笼状结构具有很强的稳定性,所以整个体系仍然保持碳笼结构的完整性.通过对自旋密度分布与激光脉冲作用下自旋期望值演化的具体分析,经由Λ进程的自旋翻转是基于两个Y元素的整体自旋翻转;自旋转移则源自两个磁性中心以及碳笼之间在激光脉冲作用下的自旋密度重新分布.本文结果揭示了Y_2C_2@C8_2-C_2(1)体系中的超快自旋动力学机理,可望为基于实际内嵌富勒烯分子的自旋逻辑功能器件设计提供理论依据.

摘要：描述多电子体系的绝大部分参量可实验测量,如吸收光谱、发光光谱和激子效应等,都涉及电子激发态的正确描述。密度泛函理论(DFT)框架内的局域密度近似(LDA)作为第一性原理基态理论,即基于Kohn Sham方程的解,是研究多粒子体系基态性质非常有力的工具。然而,体系激发态的第一性原理理论及其计算要比基态的理论计算复杂得多。关键问题在于描写基态和激发态时,粒子间的交换关联相互作用并不相同,而对于非均匀相互作用多粒子体系的交换关联能至今仍不清楚。不过,近年来关于激发态问题的研究,先后发展了许多描述电子激发态的理论,最重要的是基于准粒子概念和Green函数方程的多体微扰理论和含时间密度泛函理论(TDDFT)以及与此相关的描述电子空穴相互作用的Bethe Salpeter方程在凝聚态物理问题中的应用。其中最关键的物理量是粒子的自能算符Σ,它描述Hartree近似之外的交换和关联效应。虽然这些理论不可避免地也要引入某些近似,如对于Σ的一个好的近似就是Hedin的GW近似方法。对许多实际凝聚态体系的计算机模拟结果表明,GW近似是描述激发态问题相当成功的理论方法。将Hartree Fock(HF)理论与LDA相结合,但采用非局域屏蔽交换代替HF方法中的局域非屏蔽交换相互作用,建立广义的KS方程(GKS),得到所谓屏蔽交换局域密度近似(sX LDA)方法。我们在平面波自洽场方法PWscf程序包的基础上,发展了PWscf sX LDA方法,也是处理激发态问题及材料设计的有效方法。将评述激发态过程多体理论各种方法的发展和意义,讨论这些多体理论方法之间的联系和差异,并在此基础上介绍它们在解决半导体带带跃迁(或带隙偏小问题)、半导体及其微结构中的激子效应等重要领域的应用和成果。

摘要：采用基于密度泛函理论方法系统地研究了单个NO和CO小分子在非金属(B和N)与金属Ni原子共掺杂石墨烯(B_(x)-N_(y)-gra-Ni,x+y=0,1,2,3)表面的吸附特性,分析了吸附气体小分子的几何结构,吸附能,电荷转移量以及引起体系磁性变化等情况.研究结果表明:NO和CO倾向于吸附在Ni原子的顶位,B和N掺杂原子的数量和比例能够有效地调制小分子的吸附强度;与吸附的CO分子相比,B_(x)-N_(y)-gra-Ni表面吸附的NO分子能获得较多的电荷,进而表现出高的稳定性.此外,利用吸附的气体小分子与衬底间相互作用强度和灵敏性的差异、以及引起反应衬底的磁性变化将为设计石墨烯基气敏、催化和电子器件提供重要参考.

摘要：采用第一性原理方法研究双空位缺陷结构的石墨烯衬底负载不同金属原子(Fe、Co和Pt)体系的稳定结构和表面反应活性。研究结果可知:单个金属原子掺杂的双空位缺陷石墨烯(555-777-graphene)结构具有极高的稳定性(>10.0 eV),显不同正电性的金属原子将用来调控气体分子的稳定性。单个NO和SO2分子吸附在Pt原子掺杂衬底的吸附能最小,在Fe原子掺杂体系上的吸附能更高。不同金属原子掺杂的石墨烯衬底对NO分子均表现出较高的灵敏性。此外,吸附的气体分子能够有效地增强Co原子掺杂体系的磁矩大小,而气体吸附不影响Pt原子掺杂体系的磁性。该研究工作为设计新型二维碳基功能器件提供参考。

摘要：采用第一性原理方法研究了不同金属原子(Co和Ni)掺杂的双空位缺陷石墨烯(M-DG)体系对吸附O_2和CO气体分子稳定性的调控作用。掺杂的金属原子向石墨烯衬底提供电荷而显示正电性,能够引起体系电子结构和局部电荷分布变化。相比Ni-DG体系,单个CO和O_2分子在Co-DG表面具有更高的稳定性,且使得体系的电子结构和磁性发生变化。本工作为设计碳基气体传感器件提供重要参考。