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星际分子的发现是20世纪60年代天文学界的四大发现之一。近年来,人们对星际有机分子的观测和讨论取得了显著进展,寻找和确认新的复杂星际分子并理解其形成和演化过程成为天文、物理和化学等多领域关注的热点。此外,在研究星际分子的过程中,C60结构的偶然发现,引起人们广泛的关注,同为第Ⅳ族的元素,硅可能的富勒烯结构也引起了人们极大兴趣。
本文基于DFT理论,在GGA-BLYP水平上对NC2nN(n=1-4)系列分子的结构进行了广泛的搜索,并对能量较低的中性分子和阴、阳离子结构的性质和红外光谱进行了预测。对NC2nN(0,±1)(n=1-4)近基态同分异构体进行了几何优化和性质预测。在DFT-GGA／PW91水平上计算了Eu2@Si30的结构和稳定性,对结构稳定性的来源及键特性行了研究,讨论稀土元素在稳定硅的富勒烯结构中所起的作用。论文的主要结果如下:
1.NC2nN(n=1-4)分子最低能量结构均为N-Cm-N,结构,N原子居于碳链两端,与C原子形成C≡N叁键,键长随碳链的增长而有所增长；分子体系较小时,结构保持直链状；随着碳原子个数的增加,直链结构发生不同程度的弯曲；当碳原子数为8时,NC8N分子表现出较明显的弯曲。NC2nN+(n=1-4)和NC2nN-(n=1-4)最低能量结构与相应的中性分子有相似的结构和特征。
2.NC2nN(n=1-4)分子最低能量结构的偶极矩均较小,偶极矩最大的结构NC8N分子,仅有0.20 debye,不利于红外波段的观测。对于NC2NN+(N=1-4)阳离子,除了NC6N+偶极矩小于NC6N以外,其他Nc2nN+(n=1,2,4)偶极矩均明显大于相应中性分子的偶极矩；其中NC4N+偶极矩最大,为7.03 debye。对于NC2nN-(n=1-4)阴离子,除了NC6N-偶极矩较小以外,其他NC2nN-(n=1,2,4)偶极矩均明显大于相应中性分子的偶极矩,与NC2nN+(n=1-4)阳离子相当；NC4N-偶极矩最大,为7.04 debye。
3.对于NC2nN(n=1-4)中性分子、阳离子和阴离子的最低能量结构,不论是C≡N还是C≡C叁键的长度随着碳原子数目的增加均略有增长,C-C单键的长度随着碳原子数目的增加有所缩短；碳原子数目相同时,依照中性分子、阳离子、阴离子的顺序,C≡N和C≡C叁键的长度依次增长,C-C单键长度依次缩短。
4.文章分析了NC2nN(0,±1)(n=1-4)结构的谐振动频率和红外强度。对于中性结构,最强振动频率为NC2N:271.9cm-1,NC4N:2229.7cm-1,NC6N:2262.8cm-1和NC8N:2238.7cm-1,相应的红外强度为20.25km／mol,14.28 km／mol,61.28 km／mol和133.14 km／mol。对于阳离子结构,最强振动频率为NC2N+:1868.8cm-1,NC4N+:2096.8cm-1,NC6N+:2168.2cm-1和NC8N+:2161.8cm-1,相应的红外强度为291.99km／mol,502.84 km／mol,655.30 km／mol和874.84 km／mol。对于阴离子结构,最强振动频率为NC2N-:1764.7cm-1,NC4N-:2032.8cm-1,NC6N-:2103.5cm-1和C8N-:2116.1cm-1,相应的红外强度为196.28km／mol,619.60 km／mol,1270.87km／mol和2035.31 km／mol。
5.在GGA／BLYP水平上计算了Eu2@Si30的结构和稳定性,结果显示稀土元素铕能够稳定Si30富勒烯的笼状结构。计算得到的类富勒烯结构和类管状结构均为稳定结构；电子结构分析显示,Eu原子诱导的Sj-Si类sp2杂化增强了富勒烯结构的稳定性。具有D5h对称性和近10μB的自旋磁矩的管状结构,作为一个磁性硅纳米管的胚芽,表现出在自旋电子学和高密度磁存储器中潜在的应用价值。