Nghiên cứu cấu trúc, tính chất của cluster silicon pha tạp đơn chromium dạng cation CrSin+ và trung hòa CrSin (n= 3-10) bằng phương pháp hóa học tính toán kết hợp phổ IR

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

NGUYỄN HÀ BẢO NGÂN

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT CỦA CLUSTER SILICON PHA

TẠP ĐƠN CHROMIUM DẠNG CATION CrSin

+ VÀ TRUNG HOÀ CrSin

(n = 3-10) BẰNG PHƯƠNG PHÁP HOÁ HỌC TÍNH TOÁN KẾT HỢP

PHỔ IR

LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC

Bình Định – Năm 2021

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

NGUYỄN HÀ BẢO NGÂN

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT CỦA CLUSTER SILICON PHA

TẠP ĐƠN CHROMIUM DẠNG CATION CrSin

+ VÀ TRUNG HOÀ CrSin

(n = 3-10) BẰNG PHƯƠNG PHÁP HOÁ HỌC TÍNH TOÁN KẾT HỢP

PHỔ IR

Chuyên ngành: Hóa vô cơ

Mã số: 8440113

Người hướng dẫn: PGS.TS. VŨ THỊ NGÂN

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là do tôi thực hiện. Các dữ liệu và kết quả sử

dụng trong luận văn là trung thực và chưa từng công bố trong những công trình

khoa học khác. Việc tham khảo các tài liệu khoa học được trích dẫn theo đúng quy

định.

Tác giả luận văn

Nguyễn Hà Bảo Ngân

LỜI CẢM ƠN

Luận văn khoa học “Nghiên cứu cấu trúc, tính chất của cluster silicon pha tạp đơn

chromium dạng cation CrSin

+ và trung hoà CrSin (n = 3-10) bằng phương pháp hoá học

tính toán kết hợp phổ IR” được tiến hành nghiên cứu tại phòng Hoá học tính toán và mô

phỏng-Trường Đại học Quy Nhơn. Trong suốt quá trình từ lúc bắt đầu lên ý tưởng cho

đến khi hoàn thành luận văn, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ.

Em xin cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Quy Nhơn đã tạo môi trường học

thuật và hỗ trợ cơ sở vật chất để em tiến hành nghiên cứu đề tài.

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn PGS. TS. Vũ Thị

Ngân đã luôn tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và động viên em trong suốt quá trình thực hiện

nghiên cứu.

Em cũng xin chân thành cảm ơn PGS. TS. Nguyễn Tiến Trung và TS. Nguyễn

Ngọc Trí đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo nhiều điều kiện thuận lợi để em thực hiện luận văn

này.

Em xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy Cô giáo của khoa Khoa học Tự nhiên đã tận

tâm giảng dạy và phòng Đào tạo sau đại học-Trường Đại học Quy Nhơn đã nhiệt tình hỗ

trợ.

Mặc dù đã nỗ lực để luận văn hoàn thiện một cách chỉnh chu nhất tuy nhiên không

thể tránh được những thiếu sót nhất định. Do đó em rất mong nhận được những ý kiến

đóng góp quý báu của quý thầy cô và hội đồng phản biện để đề tài được hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn!

Bình Định, ngày tháng năm 2021

Tác giả luận văn

Nguyễn Hà Bảo Ngân

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU 1

1. Lý do chọn đề tài 1

2. Tổng quan tài liệu và tình hình nghiên cứu đề tài 4

3. Mục đích nghiên cứu 6

4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 6

5. Phương pháp nghiên cứu 7

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 8

7. Cấu trúc luận văn 8

Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT HOÁ HỌC TÍNH TOÁN 10

1.1. Phương trình Schrödinger 10

1.2. Phương pháp Hatree-Fock 11

1.2.1. Lý thuyết Hatree-Fock 11

1.2.2. Áp dụng phương pháp Hatree-Fock 15

1.2.3. Phương pháp Hatree-Fock hạn chế và không hạn chế 17

1.3. Bộ hàm cơ sở 19

1.3.1. Khái niệm 19

1.3.2. Một số bộ hàm cơ sở phổ biến 22

1.4. Thuyết phiếm hàm mật độ 23

1.5. Bề mặt thế năng 27

1.5.1. Khái niệm 27

1.5.2. Điểm dừng 29

1.6. Tối ưu hoá hình học 30

1.7. Dao động cơ bản và năng lượng điểm không 32

1.8. Đối xứng phân tử 35

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ CLUSTER SILICON PHA TẠP

CHROMIUM 37

2.1. Cluster silicon pha tạp chromium 37

2.2. Phương pháp nghiên cứu 39

Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43

3.1. Đánh giá mức lý thuyết 43

3.2. Cluster cation SinCr+ (n = 3-10) 45

3.2.1. SinCr+ (n = 3-5) 45

3.2.2. Si6Cr+ 47

3.2.3. Si7Cr+ 50

3.2.4. Si8Cr+ 52

3.2.5. Si9Cr+ 54

3.2.6. Si10Cr+ 57

3.2.7. Hiện tượng tín hiệu phổ rộng và sự biến mất của dao động Si-Cr 59

3.3. Cluster anion SinCr- (n = 3-10) 60

3.4. Cluster trung hoà SinCr (n = 3-10) 62

3.4.1. Si3Cr 63

3.4.2. Si4Cr 63

3.4.3. Si5Cr 63

3.4.4. Si6Cr 64

3.4.5. Si7Cr 64

3.4.6. Si8Cr 65

3.4.7. Si9Cr 65

3.4.8. Si10Cr 66

3.5. Tính chất cluster SinCr+/0/- (n = 3-10) 66

3.5.1. Xu hướng phát triển cấu trúc 66

3.5.2. Độ bền cluster 69

3.5.3. Từ tính và liên kết hoá học 72

3.5.4. Tính bất đối (Chirality) 75

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 78

KẾT LUẬN 78

KIẾN NGHỊ 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

PHỤ LỤC

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (Bản sao)

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Các ký hiệu

H": toán tử Hamilton

F: hàm sóng phụ thuộc thời gian

Y(r): hàm sóng electron

Q(RN): hàm sóng hạt nhân

c(r,w): orbital spin

s(w): hàm spin

a: electron a

b: elctron b

�$: toán tử Fock

e: năng lượng trong toán tử Fock

f(r): hàm cơ sở

sz: số lượng tử spin

n, l và m: số lượng tử chính, số

lượng tử góc và số lượng tử từ

N: hằng số chuẩn hoá

Ylm: hàm cầu

P(r): hàm đa thức

z: thừa số mũ zeta

r(r): mật độ electron

E[r(r)]: phiếm hàm mật độ electron

�!"[�(�)]: năng lượng tương quan￾trao đổi

�-: số sóng

µ : khối lượng rút gọn

c: vận tốc ánh sáng

k: hằng số lực của dao động

SinCr+/0/-

: cluster Si pha tạp Cr ở ba

trạng thái điện tích

Eb-C/N/A: năng lượng liên kết trung

bình của cluster cation, trung hòa và

anion tương ứng

DC/N/A(Cr+/ Cr/ Si): năng lượng phân

ly Cr+/ Cr/ Si của cluster cation,

trung hòa và anion tương ứng

Các chữ viết tắt

AO Atomic orbital ( orbital nguyên tử)

ECD Electronic cicular dichroism (phổ lưỡng sắc tròn)

DFT Density functional theory (thuyết phiếm hàm mật độ)

GGA Generalized gradient approximation (gần đúng gradient tổng quát)

HF Hatree-Fock

IRC Internal reaction coordinate (toạ độ nội phản ứng)

IR-MPD Infrared multiple photon dissociation

LCAO

Linear combination of atomic orbitals (tổ hợp tuyến tính các

orbital nguyên tử)

LDA Local density approximation (sự gần đúng mật độ tại chỗ)

NBO Natural bond orbital (orbital liên kết tự nhiên)

PB Pentagonal bipyramid (khung lưỡng tháp ngũ giác)

PES Potential energy surface (bề mặt thế năng)

ROHF

Restricted open-shell Hatree-Fock (tính toán Hatree-Fock vỏ mở

giới hạn)

SCF Self-consistent field (trường tự hợp)

STO Slater type orbital (orbital kiểu Slater)

TD-DFT Time dependent-DFT (phương pháp DFT phụ thuộc thời gian)

TTP

Tetra-capped trigonal prism (trụ tam giác được cộng thêm ở bốn

mặt)

UHF Unrestricted Hatree-Fock (tính toán Hatree-Fock không giới hạn)

UV-Vis Ultra violet-visble (tử ngoại-khả kiến)

ZPE Zero point energy (năng lượng dao động điểm không)

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1. So sánh năng lượng tương đối của một số đồng phân năng lượng thấp

của cluster SinCr+/0/- (n = 3-10) giữa hai mức lý thuyết B3P86/6-311+G(d) và

B3P86/aug-cc-pVTZ. 44

Bảng 2. So sánh năng lượng tương đối được tính toán giữa hai mức lý thuyết

B3P86/6-311+G(d) và B3LYP/6-311+G(d) của cluster anion SinCr- (n = 3-10).

61

Bảng 3. Năng lượng liên kết trung bình (eV), năng lượng tách (eV) và phân

tích mật độ phân bố tự nhiên của cluster SinCr+/0/- (n = 3-10). 70

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1. Cấu trúc hình học đồng phân có năng lượng thấp nhất của cluster

SinCr+ ( n = 3-5). Năng lượng tương đối của các đồng phân được tính theo eV

45

Hình 2. Phổ IR tính toán của các đồng phân của Si6Cr+ và phổ IR thực nghiệm

của Si6Cr+.Ar. Cấu trúc hình học, năng lượng tương đối (eV) và trạng thái

electron của các đồng phân cũng được chỉ ra trong hình. 49

Hình 3. Phổ IR tính toán của các đồng phân của Si7Cr+ và phổ IR thực nghiệm

của Si7Cr+.Ar. Cấu trúc hình học, năng lượng tương đối (eV) và trạng thái

electron của các đồng phân cũng được chỉ ra trong hình.

51

Hình 4. Phổ IR tính toán của các đồng phân của Si8Cr+ và phổ IR thực nghiệm

của Si8Cr+.Ar. Cấu trúc hình học, năng lượng tương đối (eV) và trạng thái

electron của các đồng phân cũng được chỉ ra trong hình. 53

Hình 5. Phổ IR tính toán của các đồng phân của Si9Cr+ và phổ IR thực nghiệm

của Si9Cr+.Ar. Cấu trúc hình học, năng lượng tương đối (eV) và trạng thái

electron của các đồng phân cũng được chỉ ra trong hình. 56

Hình 6. Phổ IR tính toán của các đồng phân của Si10Cr+ và phổ IR thực

nghiệm của Si10Cr+.Ar. Cấu trúc hình học, năng lượng tương đối (eV) và trạng

thái electron của các đồng phân cũng được chỉ ra trong hình. 58