复杂有机金属三明治团簇及其纳米线的几何结构、电磁性质和外场行为的理论研究

由金属元素和有机（反）芳香性环状分子构成的三明治构型的化合物具有标准的线性结构和丰富的电磁性质，可望在纳米复合器件、高密度信息存储和量子计算等方面有重要的应用价值。本项申请拟采用第一性原理方法对有机共边多环多金属和有机单环多金属等复杂三明治化合物团簇及其纳米线的几何结构、电磁行为以及外场特性进行深入研究。探索其团簇的生长机制和键合规则；揭示其结构稳定性的物理化学依据和电磁性质的物理根源；探究其纳米线的电磁性质、金属行为及其内在的物理规律；研究化学组分（掺杂不同的金属原子或者有机环状分子等）对其结构稳定性以及电磁性质、金属行为的影响；并深入研究上述化合物在外场下的行为特性，如表面支撑行为、力学特征（拉伸/挤压）以及输运行为等，为寻找结构稳定并具有良好电磁性质的新材料以及探索其在分子电子器件、自旋电子材料上的可能应用提供理论支持。

由金属原子和有机（反）芳香性环状分子环构成的具有三明治构型的化合物具有标准的线性结构和丰富的电磁性质，可望在纳米复合器件、高密度信息存储和量子计算等方面有重要的应用价值。本项目中我们基于第一性原理的密度泛函理论计算系统地研究了有机共边多环多金属和有机单环多金属等三明治团簇及其纳米线的几何结构、电磁性质、金属行为以及外场特性，得到了一些创新性的研究成果：1）通过改变化合物中的金属元素的组分，可以有效地调节有机双金属三明治团簇及其纳米线的电子结构与磁性质，一方面得到了高磁矩的团簇，另一方面得到了铁磁半金属纳米线，表现出100%的自旋极化率；2）通过替换化合物中有机基中的部分碳元素，提出利用硼元素替代有机基环中的碳元素一方面可以有效地提高这类化合物的磁矩以及磁稳定性，另一方面可以保持未掺杂之前的三明治纳米线的半金属性质和实现半金属-金属转换；3）研究了双核双金属三明治化合物体系中的复杂的耦合机制，发现调整化合物中金属元素的种类及相对位置都会大大影响团簇及其纳米线的电子和磁性质，并深入揭示了层内金属-金属的直接交换作用以及层间金属的超交换作用是导致三明治化合物体系出现复杂的铁磁或者反铁磁耦合的根源; 4）综述了近几年来人们在金属-有机基三明治化合物的结构稳定性、成键特征、电磁性质以及输运性质等方面的重要进展情况。此外，我们还将研究拓展到二维材料石墨烯的生长机制的探索中，揭示了CVD方法制备石墨烯在碳源分解、成核以及长大成为石墨烯片等各个阶段的物理机理，为CVD方法合成高质量石墨烯的提供了理论基础。共发表文章7篇，其中在国际顶级和权威学术期刊上发表SCI学术论文6篇，包括Adv.Mater. 1 篇，J. Am.Chem.Soc. 1篇，Nanoscale 1篇，J.Phys.Chem.C 2篇，Inter. J. Quan.Chem. 1篇。