Влияние DFT-функционала на энергетические и электронные характеристики углеродных соединений с нетрадиционной геометрией каркаса

Н.В. Новиков1, М.М. Маслов1,2, К.П. Катин1,2, В.С. Прудковский2,3
1Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Каширское ш. 31, 115409, Москва, Россия
2Научно-исследовательский институт проблем развития научно-образовательного потенциала молодежи, ул. Авиаторов 14/55, 119620, Москва, Россия
3Университет Крита, 71003, Ираклион, Крит, Греция

Аннотация

Рассчитанные в рамках теории функционала плотности значения энергий связи углеродных наноструктур с нетрадиционной геометрией каркаса могут существенно отличаться друг от друга в зависимости от выбранного DFT-функционала.В представленной работе показано насколько сильно энергетические и электронные свойства углеродных структур с нетрадиционной геометрией каркаса, рассчитанные с помощью теории функционала плотности (DFT), зависят от выбора DFT-функционала, на примере семейства углеродных [n,5]призманов. Для сравнительного анализа мы использовали такие характеристики молекулярной системы, как энергия связи и разность энергий между высшей занятой молекулярной орбиталью и низшей вакантной молекулярной орбиталью (HOMO-LUMO щель). Мы рассчитали энергии связи и HOMO-LUMO щели с помощью семи различных функционалов B3LYP, X3LYP, M11, B3PW91, PBE0, PW и PBE, которые относятся к обобщенному градиентному приближению и к гибридным функционалам. Для всех функционалов использовался базисный набор 6-31G(d). Показано, что энергии связи, полученные для длинных [n,5]призманов с эффективной длиной ~150 Å с использованием различных DFT-функционалов, могут различаться в 1.1 раза, а соответствующие значения HOMO-LUMO щелей – в 23 раза. Дополнительные прецизионные расчеты [2,5]призмана на уровне теории CCSD(T) позволили сделать вывод, что для определения энергий связи углеродных наноструктур с нетрадиционным каркасом, гибридные функционалы B3LYP, X3LYP и M11, возможно, являются лучшим решением, тогда как для оценки HOMO-LUMO щелей наиболее близкий к CCSD(T) результат дает гибридный функционал M11. Настоящее исследование представляет методологический интерес для проведения адекватных расчетов в рамках теории функционала плотности новых наноматериалов с нетрадиционным углеродным каркасом, таких как гиперкубан, фуллереновые композиты или колонный графен.

Получена: 17 октября 2017   Исправлена: 31 октября 2017   Принята: 08 ноября 2017

Просмотры: 51   Загрузки: 31

Ссылки

1.
R. G. Parr, W. Yang. Density-Functional Theory of Atoms and Molecules. NY: Oxford University Press (1990) 333 p.
2.
G. S. Manyali. IOSR Journal of Applied Physics 8, 54 – 58 (2016), DOI: 10.9790/4861-08135458
3.
G. Zhang, C. B. Musgrave. J. Phys. Chem. A 111, 1554 – 1561 (2007), DOI: 10.1021/jp061633o
4.
E. A. Belenkov, M. M. Brzhezinskaya, V. A. Greshnyakov. Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics 8, 127 – 136 (2017), DOI: 10.17586/2220‑8054‑2017‑8‑1‑127‑136
5.
E. A. Belenkov, V. A. Greshnyakov. J. Mater. Sci. 50, 7627 – 7635 (2015), DOI: 10.1007/s10853‑015‑9325‑1
6.
K. A. Krylova, Yu. A. Baimova, S. V. Dmitriev, R. R. Mulyukov. Phys. Solid State 58, 394 – 401 (2016), DOI: 10.1134/S1063783416020189
7.
R. A. Brazhe, A. I. Kochaev, V. S. Nefedov. Phys. Solid State 54, 1430 – 1432 (2012), DOI: 10.1134/S1063783412070098
8.
M. M. Maslov, K. P. Katin, A. I. Avkhadieva, A. I. Podlivaev. Russ. J. Phys. Chem. B 8, 152 – 157 (2014), DOI: 10.1134/S1990793114020195
9.
K. P. Katin, M. M. Maslov. J. Phys. Chem. Solids 108, 82 – 87 (2017), DOI: 10.1016/j.jpcs.2017.04.020
10.
R. M. Minyaev, V. I. Minkin, T. N. Gribanova, A. G. Starikov, R. Hoffmann. J. Org. Chem. 68, 8588 – 8594 (2003), DOI: 10.1021/jo034910l
11.
K. P. Katin, S. A. Shostachenko, A. I. Avkhadieva, M. M. Maslov. Adv. Phys. Chem. 2015, 506894 (2015), DOI: 10.1155/2015/506894
12.
M. W. Schmidt, K. K. Baldridge, J. A. Boatz, S. T. Elbert, M. S. Gordon, J. H. Jensen, S. Koseki, N. Matsunaga, K. A. Nguyen, S. Su, T. L. Windus, M. Dupuis, J. A. Montgomery. J. Comp. Chem. 14, 1347 – 1363 (1993), DOI: 10.1002/jcc.540141112
13.
J. P. Perdew, J. A. Chevray, S. H. Vosko, K. A. Jackson, M. R. Pederson, D. J. Singh, C. Fiolhais. Phys. Rev. B 46, 6671 – 6687 (1992), DOI: 10.1103/PhysRevB.46.6671
14.
J. P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof. Phys. Rev. Lett. 77, 3865 – 3868 (1996), DOI: 10.1103/PhysRevLett.77.3865
15.
C. Lee, W. Yang, R. G. Parr. Phys. Rev. B 37, 785 (1988), DOI: 10.1103/PhysRevB.37.785
16.
A. D. Becke. J. Chem. Phys. 98, 5648 (1993), DOI: 10.1063/1.464913
17.
X. Xu, Q. Zhang, R. P. Muller, W. A. Goddard. J. Chem. Phys. 122, 014105 (2005), DOI: 10.1063/1.1812257
18.
R. Peverati, D. G. Truhlar. J. Phys. Chem. Lett. 2, 2810 – 2817 (2011), DOI: 10.1021/jz201170d
19.
C. Adamo, V. Barone. J. Chem. Phys. 110, 6158 – 6170 (1999), DOI: 10.1063/1.478522
20.
R. Ditchfield, W. J. Hehre, J. A. Pople. J. Chem. Phys. 54, 724 (1971), DOI: 10.1063/1.1674902
21.
R. Krishnan, J. S. Binkley, R. Seeger, J. A. Pople, J. Chem. Phys. 72, 650 (1980), DOI: 10.1063/1.438955
22.
SciDAVis — Scientific Data Analysis and Visualization: scidavis.sourceforge.net
23.
T. Helgaker, P. Jorgensen, J. Olsen. Molecular Electronic-Structure Theory. Wiley: New York (2000) P. 793-796.