【摘要】：凝聚態(tài)物質結構的理論預測是一個具有挑戰(zhàn)性的課題。課題組前期基于晶體對稱性的分類檢索思想，，結合粒子群多目標優(yōu)化算法，引入結構表征的成鍵特征矩陣，提出并發(fā)展了卡里普索（CALYPSO）晶體結構預測方法，編制了具有自主知識產權的CALYPSO結構預測軟件，現已成為結構預測領域的重要工具。本論文基于前期積累，發(fā)展了CALYPSO團簇結構預測方法，編制了相應的程序代碼并集成于CALYPSO軟件包中（見網址：http://www.calypso.cn），在此基礎上，對鋰的高壓半導體相的結構和硼的團簇結構進行了系統(tǒng)的研究，獲得了創(chuàng)新性結果： 1.綜合考慮孤立體系的結構特點和復雜性，對CALYPSO方法中多種結構處理方法進行擴展，發(fā)展了CALYPSO團簇結構預測方法：引入點群對結構產生的限制，有效減少了探索空間的自由度，增加結構種群的多樣性；引入成鍵特征矩陣，實現對團簇結構的唯一表征，用于排除相似結構，對搜索相空間進行有效劃分；調整粒子群優(yōu)化算法使其可以進行高效的團簇結構演化。系統(tǒng)的測試表明該方法可以進行高效可靠的團簇結構預測。 2.實驗發(fā)現導電性極好的金屬鋰在高壓下竟然失去了金屬性，轉變?yōu)榘雽w，這激發(fā)了人們對鋰的高壓半導體相結構的研究熱潮。本文利用自主發(fā)展的CALYPSO晶體結構預測方法，提出在60萬大氣壓下金屬鋰轉變?yōu)橐粋�晶體學單胞內包含40個原子的復雜底心正交結構（Aba2-40結構），該結構中由于芯電子的排斥作用，價電子被完全局域到晶格的間隙區(qū)域，失去了自由電子特性，金屬鋰變成了半導體。本文提出的半導體Aba2-40結構隨后被實驗證實。 3.富勒烯是納米科學領域的重要結構單元，但至今未發(fā)現由非碳元素形成的富勒烯。本文利用自主發(fā)展的CALYPSO團簇結構預測方法，提出由38個硼原子組成的硼團簇具有類富勒烯結構，該結構由硼三角和硼六角組成，是一個六角空洞摻雜的二十面體。細致的電子結構計算表明該純硼富勒烯結構具有較大的能隙、奇特的雙重芳香性和滿殼層的電子結構，能量上極為穩(wěn)定。研究結果為實驗合成出非碳富勒烯結構提供了重要的理論支撐。
[Abstract]:The theoretical prediction of condensed matter structure is a challenging subject. Based on the theory of crystal symmetry classification retrieval and particle swarm optimization (PSO), a new method of crystal structure prediction for Carripsos (CALYPSO) is proposed and developed by introducing the bond-forming characteristic matrix of structural representation. The CALYPSO structure prediction software with independent intellectual property rights has been developed and has become an important tool in the field of structure prediction. Based on the previous accumulation, this paper develops the CALYPSO cluster structure prediction method, compiles the corresponding program code and integrates it into the CALYPSO software package (see Web site: http://www.calypso.cn), on this basis, The structure of high voltage semiconductor phase of lithium and the cluster structure of boron are systematically studied. The innovative results are as follows: 1. Considering the structural characteristics and complexity of the isolated system, this paper extends several structural processing methods in the CALYPSO method and develops the CALYPSO cluster structure prediction method. The introduction of the point group limits the structure generation and effectively reduces the degree of freedom in the exploration space. Increasing the diversity of structural populations; The key feature matrix is introduced to realize the unique representation of the cluster structure, which is used to eliminate the similar structure and effectively partition the search phase space. The particle swarm optimization algorithm is adjusted to make the cluster structure evolve efficiently. The system tests show that this method can predict the cluster structure efficiently and reliably. 2. It is found that lithium, which has excellent conductivity, has lost its gold properties and changed into semiconductors at high voltage, which has stimulated the research on the phase structure of lithium in high-voltage semiconductors. In this paper, using the independently developed CALYPSO crystal structure prediction method, a complex bottom center orthogonal structure (Aba2-40) with 40 atoms in a crystallographic unit cell is proposed for the conversion of lithium metal into a crystallographic unit at 600000 atmospheres. Due to the repulsive effect of core electrons, the valence electrons are completely localized to the gap region of the lattice, and the free electron property is lost, and the lithium metal becomes a semiconductor. The semiconductor Aba2-40 structure proposed in this paper was subsequently verified by experiments. 3. Fullerene is an important structural unit in nanoscience, but no fullerenes formed by non-carbon elements have been found up to now. In this paper, using the independently developed CALYPSO cluster structure prediction method, it is proposed that the boron cluster composed of 38 boron atoms has fullerene-like structure, which is composed of boron triangle and boron hexagonal, and is an icosahedron doped with hexagonal cavity. Detailed electronic structure calculations show that the pure boron fullerene structure has a large energy gap, unique double aromaticity and full shell electronic structure, and the energy is extremely stable. The results provide important theoretical support for the experimental synthesis of non-carbon fullerenes.
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：O469

【共引文獻】

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本文編號：2370166