典型半导体团簇及组装材料的结构和电子特性 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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雍永亮 著

图书标签:

• 半导体团簇
• 组装材料
• 结构
• 电子特性
• 材料科学
• 凝聚态物理
• 纳米材料
• 计算物理
• 第一性原理
• 表面科学

出版社： 电子工业出版社

ISBN：9787121313950

版次：01

商品编码：12150911

包装：平装

开本：16开

出版时间：2017-07-01

页数：116

正文语种：中文

内容简介

典型半导体团簇及其团簇组装材料的结构及其电子性质的研究是当前团簇科学研究的热点。本书采用**性原理中的各种方法对系列典型的半导体团簇的几何结构和电子性质等进行理论研究，发现该类团簇的结构及其成键特征、电子性质，为其他团簇的计算提供更为详尽的信息。在研究半导体团簇的基础上，首次探讨基于典型半导体团簇的团簇组装材料的结构特征、电子特性等，为指导实验产生新型半导体团簇、设计合成具有精确可控性能的团簇组装材料提供理论依据。本书可供物理、化学、环境、材料学和生命科学专业的科研人员、高校教师和研究生阅读、参考。

作者简介

雍永亮，博士，毕业于浙江大学凝聚态物理专业，现任职于河南科技大学物理工程学院，副教授。长期讲授大学物理、数学物理方法等课程。

目录

目 录
第1章 绪论 1
1．1 引言 1
1．1．1 能源与环境的挑战 1
1．1．2 纳米材料 3
1．2 团簇的研究对象和研究意义 5
1．2．1 团簇的研究对象 5
1．2．2 团簇的研究意义 8
1．2．3 超原子 9
1．3 团簇组装材料 11
1．3．1 团簇组装材料的研究对象和意义 11
1．3．2 团簇组装材料的制备和表征 12
1．3．3 团簇组装材料研究步骤 15
1．4 基于半导体团簇的组装材料的研究内容 15
参考文献 17
第2章 理论基础 21
2．1 引言 21
2．2 第一性原理计算方法 21
2．2．1 Born-Oppenheimer绝热近似 22
2．2．2 密度泛函理论（Density Functional Theory） 23
2．3 Dmol3软件简介 27
2．3．1 能量的求解和结构优化 27
2．3．2 Mulliken Population分析 31
2．3．3 谐振频率计算 31
2．4 全势能线性Muffin-Tin轨道分子动力学方法 32
2．4．1 Muffin-Tin势和Muffin-Tin轨道 32
2．4．2 力的计算 33
参考文献 34

第3章 基于Zn12O12团簇的组装材料的生长规律和电子特性的第一性原理研究 37
3．1 引言 37
3．2 计算方法和模型 38
3．3 结果与讨论 39
3．3．1 ZnnOn（n=2～13）团簇的结构、稳定性和电子特性 39
3．3．2 Zn12O12团簇的结构和稳定性 41
3．3．3 Zn12O12团簇聚合的生长规律 42
3．3．4 基于Zn12O12团簇组装材料的电子结构和性质 47
3．4 结论 49
参考文献 49
第4章 基于类富勒烯结构的M12N12（M=Al，Ga）团簇的组装材料的结构和电子特性研究 53
4．1 引言 53
4．2 计算方法 54
4．3 结果和讨论 56
4．3．1 M12N12（M=Al， Ga）团簇的结构、稳定性和电子特性 56
4．3．2 M12N12（M=Al， Ga）团簇的二聚物和四聚物的结构和稳定性 57
4．3．3 基于M12N12（M=Al， Ga）团簇组装材料的电子结构和性质 61
4．4 结论 63
参考文献 64
第5章 BnNn富勒烯的聚合：一种新的生成 小直径硼氮纳米管的途径 69
5．1 引言 69
5．2 计算方法 72
5．3 BnNn（n =12， 24）富勒烯及其聚合的结构和电子特性 72
5．3．1 BnNn（n =12， 24）富勒烯的结构特征和电子特性 72
5．3．2 BnNn（n =12， 24）富勒烯的生长规律 74
5．4 结论 76
参考文献 77
第6章 碳化硅SinCn（n=10～15）团簇及基于Si12C12团簇的组装材料的密度泛函理论研究 79
6．1 引言 79
6．2 计算方法和模型 81
6．3 结果和讨论 82
6．3．1 SinCn（n=10～15）团簇的几何结构和电子特性 82
6．3．2 基于Si12C12团簇组装的纳米线的几何结构和电子特性 91
6．4 结论 96
参考文献 97
第7章 基于ZnnSn（n=12， 16）团簇的低密度纳米介孔材料的理论研究 101
7．1 概述 101
7．2 计算方法和模型 102
7．3 Zn12S12和Zn16S16团簇及其组装材料的研究 103
7．3．1 独立的Zn12S12和Zn16S16团簇 103
7．3．2 团簇之间的相互作用 103
7．3．3 基于ZnnSn（n=12，16）团簇组装材料的结构和电子性质 106
7．4 结论 112
参考文献 112

精彩书摘

　　《典型半导体团簇及组装材料的结构和电子特性》：
　　对上述二元半导体团簇研究最为广泛的仍然是基于第一性原理方法的理论研究。到目前，各种半导体团簇的结构特征，物理、化学性质已经得到详细而系统的研究。对于化学计量的不同尺寸的二元半导体团簇，理论预测它们的能量最低结构（即基态结构）具有极为明显的结构相似性。它们的结构模型基本上可以分成四类：最小尺寸的团簇基本上具有平面结构；中小尺寸的团簇的结构模型为球形笼状结构，此时团簇中的每个原子都有三个键与周围的其他原子发生相互作用；稍大尺寸的团簇都具有“洋葱”状（onion—like）的结构模型，也就是笼状结构，此时每个原子都有四个键与周围的原子发生作用；对于更大尺寸的团簇，其结构就可以直接从块体材料上通过各种物理或化学方法切割得到，此时的团簇内部的原子排列已基本类似于块体材料，而表面的原子由于极强的量子尺寸效应而呈现出不同于内部的结构特征。通过研究发现，对于小尺寸的团簇，当尺寸大小为12、16等的时候，团簇出现幻数特征，说明这些团簇相当稳定，如Zn12O12、B12N12、Al12N12等（53，57—70）。但是需要注意的是对于小尺寸的SinCn（n＜16）团簇，理论研究发现，其基态结构并不像ZnnOnBnNn等那样，两种元素交替排列成具有高对称性的笼状结构，而是Si原子和C原子呈现出明显的分离特征，并分别组成自己的子单元。C原子组成的结构类似于富勒烯中的C原子的排布，但是由于Si原子的sp3杂化，其组成的结构并没有规律可循（71—73）。
　　……

跨越微观世界的疆界：探索新型功能材料的分子构建 引言 在物理学、化学与材料科学交织的广袤领域中，对物质微观结构的深刻理解是推动技术革新和开启全新应用的关键。本书并非聚焦于半导体团簇及其组装材料，而是将目光投向了另一个同样引人入胜却截然不同的领域：新型功能材料的分子构建与性能调控。我们将一同踏上一段探索之旅，深入剖析如何通过精巧的分子设计和精确的合成策略，创造出具备前所未有物理、化学及生物学特性的前沿材料。本书旨在为读者提供一个全面的视角，理解从分子层面到宏观性能的转化机制，并启发在能源、环境、健康等多个关键领域的创新思路。 第一章：分子设计与合成的艺术——构筑新物质的基石 在任何材料科学的研究中，源头活水在于对分子结构的精确掌控。本章将深入探讨分子设计的基本原则，涵盖原子间相互作用、分子构象、电子排布以及官能团修饰等核心概念。我们将详细介绍各种先进的合成技术，从传统的化学合成方法，如精确控制的聚合反应、有机金属化学的运用，到新兴的自组装技术，例如利用分子间非共价相互作用（氢键、π-π堆积、范德华力等）引导形成有序的超分子结构。 分子轨道理论与电子结构设计： 理解分子中的电子如何分布及其能量状态，是预测和调控材料光学、电学和磁学性质的基础。本章将阐述如何利用分子轨道理论指导设计具有特定电子能级、电荷传输能力或光学响应的分子。 官能团工程与功能性植入： 不同的官能团赋予分子独特的化学反应活性和物理性质。我们将探讨如何通过引入特定的官能团（如发色团、荧光团、催化活性位点、生物识别基团等）来“定制”分子的功能。 模板辅助与表面诱导合成： 介绍如何利用纳米模板、晶体表面等作为“蓝图”，引导分子按照预期的结构进行排列和生长，从而实现对材料形貌和尺寸的精确控制。 绿色化学合成策略： 强调在分子合成过程中采用环境友好型溶剂、催化剂和反应条件，减少副产物生成，降低能耗，推动可持续材料发展。 第二章：超分子组装与自组织体系——从分子到有序结构的飞跃 单个分子的性能往往有限，但当它们以高度有序的方式自发组装时，便能涌现出前所未有的宏观功能。本章将聚焦于超分子化学与自组装技术，揭示如何利用分子间的弱相互作用力，驱动复杂、有序的分子聚集体形成。 非共价相互作用的驱动力： 详细解析氢键、π-π堆积、疏水相互作用、静电作用以及金属配位等在驱动分子自组装过程中的关键作用。我们将通过具体案例，展示如何利用这些作用力设计具有特定识别能力或组装模式的分子。 从一维到三维的结构演化： 探讨分子如何从一维链状、二维片层状，逐步构建成复杂的三维网络结构、胶束、囊泡、液晶等。我们将重点分析这些结构在物质传输、界面相互作用以及催化反应中的独特优势。 外部刺激响应性自组装： 介绍如何设计对温度、pH值、光照、电场、磁场等外部刺激敏感的分子系统，实现可逆的组装-解组装过程，从而开发智能响应材料。 生物灵感自组装： 借鉴生物体内分子如何精确识别、有序组装形成复杂的细胞器和组织，探讨如何将生物分子（如DNA、多肽、糖类）或模拟生物分子的结构单元，用于构建具有高度选择性识别和组装能力的材料。 第三章：功能材料的性能解析与调控——理解微观与宏观的关联 一旦通过分子设计和自组装获得了新颖的材料结构，接下来的关键在于深入理解其潜在性能，并进行有效的调控。本章将介绍一系列先进的表征技术和理论模拟方法，以及如何基于这些分析结果优化材料性能。 光谱与衍射表征技术： 阐述核磁共振（NMR）、质谱（MS）、紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）、荧光光谱、X射线衍射（XRD）等技术在确定分子结构、研究电子态、分析晶体结构和相序方面的应用。 显微成像技术： 介绍扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）、透射电子显微镜（TEM）等技术在可视化分子排列、表面形貌以及纳米结构构建方面的作用。 电化学与电学性质测量： 探讨如何通过循环伏安法（CV）、阻抗谱（EIS）、电导率测量等手段，评估材料的氧化还原活性、电荷传输能力以及在电化学器件中的应用潜力。 计算模拟与理论预测： 引入密度泛函理论（DFT）、分子动力学（MD）模拟等计算工具，用于预测分子的电子结构、反应路径、稳定性以及宏观性质，从而指导实验设计，加速新材料的开发。 性能调控策略： 基于对材料性能的理解，探讨多种调控手段，包括改变分子结构、调整组装条件、引入掺杂剂、进行表面修饰等，以优化材料在特定应用中的表现。 第四章：前沿应用领域：从实验室到现实世界的转化 本书所探讨的新型功能材料，其价值在于能够解决现实世界中的重大挑战。本章将聚焦于这些材料在几个关键领域的潜在应用，展现其革命性的前景。 新能源技术： 光伏材料： 设计高效的光捕获和电荷分离材料，用于下一代太阳能电池。 储能材料： 开发具有高能量密度、长循环寿命的电极材料和电解质，用于锂离子电池、固态电池等。 催化材料： 构建高效、选择性的催化剂，用于燃料电池、电解水制氢、CO2还原等能源转化过程。 环境修复与可持续发展： 吸附与分离材料： 设计具有高选择性和高吸附容量的材料，用于去除水体和空气中的污染物（如重金属、有机染料、温室气体）。 传感与检测： 开发灵敏、特异性的分子传感器，用于环境监测、食品安全检测和疾病诊断。 生物可降解材料： 利用可再生资源设计环境友好型的聚合物和复合材料，减少塑料污染。 生物医学与健康： 药物递送系统： 构建能够靶向递送药物、提高生物利用度、降低毒副作用的纳米载体。 生物成像与诊断： 开发新型荧光探针、造影剂，用于疾病的早期诊断和精准治疗。 组织工程支架： 设计具有良好生物相容性和力学性能的材料，用于促进细胞生长和组织再生。 信息技术与先进制造： 分子电子器件： 探索利用单个分子或分子组装体构建逻辑门、存储单元等新型电子元器件。 柔性电子学： 开发可弯曲、可拉伸的导电材料和发光材料，用于可穿戴设备和柔性显示器。 3D打印材料： 设计可用于精确成型的功能性高分子材料、陶瓷材料等，推动增材制造技术的发展。 结论 本书通过对新型功能材料的分子设计、超分子组装、性能解析及前沿应用的系统性阐述，旨在揭示微观分子世界的无穷魅力及其在解决全球性挑战中的巨大潜力。从基础的分子相互作用到复杂的宏观材料性能，从实验室的精密合成到现实世界的广泛应用，我们展示了一个不断拓展的科学边界。通过掌握分子构建的艺术，我们不仅能够理解物质的本质，更能创造出服务于人类社会发展和福祉的全新材料。本书希望激发读者对这一激动人心领域的持续探索热情，共同构筑一个更美好的未来。

评分☆☆☆☆☆

从书名《典型半导体团簇及组装材料的结构和电子特性》来看，这无疑是一本面向对材料科学，特别是纳米材料领域有着浓厚兴趣的读者的书籍。我之所以会被吸引，是因为它直接点明了研究的核心——“典型”的半导体团簇。这意味着书中很可能对某些具有代表性、研究得比较透彻的团簇体系进行了深入的剖析，包括它们的几何构型、化学键合、以及最关键的电子结构。我期望能够在这本书中找到关于这些团簇是如何被“典型”地制备出来，它们在稳定性、尺寸效应等方面有哪些显著的特征。而“组装材料”这一部分，更是让我对材料的宏观性能产生联想。它暗示着，这些微观的团簇并非孤立存在，而是被巧妙地组织起来，形成具有更高一级功能的材料。我希望书中能详细介绍，究竟有哪些组装方式，以及这些组装方式如何影响团簇之间的相互作用，从而最终调控材料的整体电子特性。这本书是否会像一本精心绘制的蓝图，向我展示如何从原子尺度出发，一步步构建出具有优异性能的纳米功能材料，这将是我阅读过程中最期待的收获。

评分☆☆☆☆☆

当我看到《典型半导体团簇及组装材料的结构和电子特性》这个书名时，我的好奇心被立刻点燃了。我对“典型”这两个字尤其感兴趣，它们意味着作者很可能聚焦于那些最常见、最基础，或者最具代表性的半导体团簇。我猜想，这本书或许会从这些典型团簇的化学计量比、原子排列方式以及与配体的相互作用等方面入手，对它们的结构进行深入的解析。同时，“电子特性”更是点明了本书的核心关注点。我期待书中能够详细介绍这些团簇的电子结构，例如它们的吸收光谱、荧光光谱、电化学活性，以及在不同外部条件下的电子传输性质。更为关键的是，我希望这本书能探讨如何通过“组装”这些团簇来构建具有特定电子功能的材料。这究竟是一个怎样的过程？是通过简单的堆叠，还是需要复杂的化学修饰和表面工程？组装后的材料，其电子性能又会呈现出怎样的变化？我希望书中能提供一些具体的例子，展示如何利用团簇的组装来开发新型电子器件、催化剂或者传感器，让我对材料科学的实际应用有一个更直观的认识。

评分☆☆☆☆☆

从书名来看，《典型半导体团簇及组装材料的结构和电子特性》似乎是一本在材料科学领域非常专业且深入的著作。我之所以对它感兴趣，是因为它点出了“典型”二字，这通常意味着作者会对某一类具有代表性的半导体团簇进行详尽的分析，从中提炼出普遍适用的规律和原理。这对于初学者或者想要建立扎实基础的研究者来说，无疑是一份宝贵的财富。我猜测书中会详细介绍这些“典型”团簇的形成机制、稳定性和几何构型，并且会对它们进行系统的电子结构计算和分析。例如，可能包括了团簇的能带结构、电子密度分布、以及HOMO-LUMO能级等关键信息。更让我期待的是，书中将如何阐述这些团簇“组装”成更复杂的材料。这种组装是物理吸附还是化学键合？组装过程中又会引入哪些新的电子特性？会不会有关于如何通过调控组装方式来设计和优化材料电子性能的案例研究？ 我设想，这本书可能会用大量的图表和数据来支撑其论点，为读者呈现一个严谨而清晰的科学图景，帮助我们理解从原子到宏观材料的跨越式发展。

评分☆☆☆☆☆

这本书的名字让我脑海中立刻浮现出那些闪烁着奇幻光芒的纳米粒子。半导体团簇，这个概念本身就充满了吸引力，它暗示着一种精妙的控制，能够将微小的原子聚合在一起，形成具有特定电子行为的单元。我希望这本书能够深入挖掘这些“典型”团簇的独特性，比如它们在尺寸、形状、原子组成上的变化如何影响其电子能级和光学性质。我想了解，为什么某些团簇被称为“典型”，它们身上是否承载着构建更复杂材料的关键特征？而“组装材料”的部分，则让我对如何将这些微观粒子转化为实用的宏观材料充满好奇。书中是否会介绍不同的组装策略，例如自组装、模板辅助组装，或者通过外部激发诱导的组装？ 我特别关注，这些组装过程是否会改变团簇本身的电子特性，或者在团簇之间产生新的电子相互作用，从而赋予组装材料全新的功能？ 如果这本书能够解答这些疑问，那我将会收获关于材料设计和性能调控的深刻见解，甚至可能启发我思考一些前沿的纳米技术应用。

评分☆☆☆☆☆

这本书的书名本身就让我联想到了一片奇妙的纳米世界，里面充满了各种大小不一、形状各异的半导体团簇。我很好奇，作者是如何将这些肉眼看不见的微小粒子，通过精妙的组装，变成具有特定功能的新型材料的。是不是就像搭积木一样，但这些积木可不是普通的木头，而是具有独特电子特性的半导体原子团。我特别想了解，这些团簇的“典型”之处究竟体现在哪里？它们在结构上又有什么样的共性和差异？而“组装材料”的说法，更是让我对材料的宏观表现充满遐想。这本书会不会深入探讨不同团簇组合方式对最终材料性能的影响？例如，某些团簇的排列方式是否能提高材料的导电性，或者赋予其特殊的发光特性？我脑海中浮现出各种可能的应用场景，比如更高效的太阳能电池，更灵敏的传感器，甚至是新型的电子器件。我相信，阅读这本书，就像是开启了一扇通往微观材料科学前沿的大门，让我得以一窥那些隐藏在物质深处的奥秘，理解它们如何从微观的原子尺度，构建出宏观世界的无限可能。