固体表面化学的理论研究 方法、模型和应用 吕鑫 2005.5.19 state key laboratory for...

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固固固固固固固固固固固固 固固固 体、 固固 固固 2005.5.19 State Key Laboratory for Physical Chemistry of Solid Surfaces 厦厦厦厦厦 厦厦厦厦厦厦厦厦厦厦厦厦厦

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固体表面化学的理论研究方法、模型和应用

吕鑫

2005.5.19

State Key Laboratory for Physical Chemistry of Solid Surfaces

厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室

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物理体系

物理、化学性质(实验研究)

理论模型 理论方法

表面吸附是固体表面化学研究的一个中心问题,是一切表面化学现象的根源

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固体表面化学的理论研究 方法、模型与应用

1.分类 (理论方法、模型方法、物理体系)

2.层板模型方法与应用( Slab Model and Its Applications)

3. 簇模型方法及其应用( Cluster Model and Its Applications)

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分类1. 理论方法分类: 经典力学方法( MM, MD, MC) 、量子力学方

法 (DFT, HF, CI) 、杂交方法( QM/MM, AIMD) 、其他半经验方法( AM1 , PM3 等)

2. 模型分类: 局域模型(簇模型方法)、周期性模型3. 应用体系分类: 共价体系、离子体系、金属体系、 HB 体系、

VDW 体系

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2 Slab Model 2.1 First-Principle Method

• 量子化学问题均在于求解 Schrödinger 方程,对于大块固体,其 Schrödinger 方程表示为:

H(Rm,rn) = E (Rm,rn) (1.1)

Problem: H 将是无限维的,上式很难求解。 Solutions: Introducing some approximations.

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A. Born-Oppenheimer Approximation:

H({Rm}) '(rn) = E({Rm}) '(rn) (1.2)

(核运动和电子运动分离 )

B. Single-Particle Approximation for Solving The Wavefunctions of Electrons

( 电子波函数的单粒子近似 )

C. Energy Band Theory (DFT) and Crystal Orbital Theory (HF)

(see A. Gross, Surf. Sci. Rep. 1998, 32, 291)

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)()()]()(2

[)(

])[][][min(]][min(

22

rrrVrVm

rH

nVnUnTnEE

iiieces

i

ectot

rdrnrnnE

n

nErV

ecec

ecec

3)]([)(][

][)(

ec(n) exchange-correlation functional

ec(n) exchange-correlation energy per particle

2.2 Density functional Theory, Kohn-Sham Equation

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2.3 PSPW and Super Cell

• Pseudopotentials for inner shells

• Plane-wave functions for valence shells

• Periodic Boundary Conditions and Super Cell Method for Solid

• Slab Model for Solid Surface

• Car-Parrilleno Molecular Dynamics Method

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Slab model:

4 atomic layers

QM Method:

DFT-GGA, PSPW

(see J. A. Rodriguez et al, J. Phys. Chem. B 2000, 104, 7439.)

Example 1: SO2 on MgO(100) and CuMgO(100)

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Eads (kcal/mol)

Cu-Free

2-O,O on Mg 8

1-S on O 11

3-S,O,O 21

Cu-dopping

2-O,O 28

1-S on O 25

Bonding Modes of SO2 on MgO(100) Surface

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CS

I

L bulk bulk( ) ( )T

其基本思想在于用一小簇原子组成的簇来类比表面 , 其首要问题就是如何消除簇模型的“边界效应” 。

( ) ( )H bulk E bulk 定域化

L C S C Sbulk T( ) ( , ) ( , ) T

3. Cluster Model 3.1 Concept

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Localization: Adams-Gilbert Equation

• 1)      FC: 小簇 C的 Fock算符,包括簇 C内的动能与各种相互作用能;

• 2)      VSlr : 环境 S对簇 C的长程作用势,包括簇 C

与环境 S间的电子—电子、电子—核、核—电子、核—核等四种库仑势;

• 3)      VSsr : 环境 S对簇 C的短程作用势,包括簇

C与环境 S间的电子交换势,反映出簇 C与环境S间的轨道相互作用。

• 4)      ρ VSsr ρ: 定域化势(亦称屏蔽势)

( )F V V EC Slr

Ssr

Ssr

C Clr

C V

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3.2 How to reach a successful cluster modeling?

关键问题:• 怎样选择簇模型,使之与环境的短程作用

尽可能小(必须注意,这并不意味着簇与环境的相互作用能很小) ?

• 怎样合理地考虑环境对簇的长程作用 ?

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3.3 Schemes of Cluster Modeling

• Simple Cluster Model• Embedded Cluster Model (for ionic

solids)• Saturated Cluster Model (for

covalent solids)• ONIOM Model (hybrid QM/QM or

QM/MM method, readily for covalent solids)

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3.4 Simple Cluster Model

• Simple cut-out !!!!!

• Capacity? (may give qualitatively reasonable simulation results for VDW, HB, metal and ionic solids)

• How to make a reasonable cut-out?

• How to determine the electronic state of the cluster?

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3.4.1 Cluster Model for Metal Surface

M

L L

M

M

L

M M M

M

ML Molecule L/M Chemisorption

M+

(a)(b) (c)

• Dilemma: The larger, the more reasonable, but more expensive; the smaller, the more economical with higher accuracy, but less reasonable.

• What’s the way out?

“Surface molecule”

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Convergence problemConvergence problem

*H/Ni(111):

Ni19 (2.75kcal/mol)

Ni22(15 kcal/mol)

Ni40(46.5kcal/mol)

Ni4(55kcal/mol)

Expt(63kcal/mol)

Ea

n

Eaexp

• Examples: 1) P.S. Bagus, et al , J. Chem. Phys., 78 (1983) 1390; 2) C.W. Bauschlicher Jr., Chem. Phys. Lett., 129(1986) 586; 3) P.E.M. Siegbahn et al., Chem. Phys. Lett., 149(1988) 265.*

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Concept of “Metallic Atom”

• Two kind of motions of electrons in bulk metal: 1) Localized ; 2) Delocalized--Free electrons.

• The atom in a bulk metal should be quite different from a simple atom, e.g.

a) R(Cr-Cr):1.68 Å ( Cr2 ), 2.49 Å (bulk Cr)

b) Pd atom: 4d10// bulk Pd:(4d9.635sp0.37)

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Metallic Basis Functions • The attractive potential of a metallic atom is:

m(r) = -(Z*/r)exp(-kSr) vs a(r) = -Z*/r

• 1/kS --- Thomas-Fermi Screening Length.

• Slater exponents: m = a + (1)

• With the help of Free Electron Theory, we have:

= - (a(n))/n (inner shell) (2)

= (a(n-1))/n (outermost valence-shell) (3)

( N. Wang et al., J. Mol. Struct. (Theochem), 262(1992) 105.)

)(/)

)(1(1)())(( nnk

a

Saa

aSen

nknnn

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Metallic m and Atomic a of Co Atom.

  1s 2sp 3sp 3d 4sp

a 26.47 11.09 4.55 3.94 1.40

m 26.46 10.96 4.01 3.35 1.84

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UHF/STO-3G Calculations M-CO cluster CO-like Co-CO CO/Co Ni-CO CO/Ni  

MO’s a m UPS a m UPS

4 21.99 16.68 16.8 20.75 16.43 16.6

1 16.46 13.10 13.2 15.52 13.35 13.6

5 18.27 12.70 13.8 16.14 12.33 12.3

             

4-1 5.53 3.58 3.5 5.23 3.08 3.0

5-1 1.81 0.4 0.6 0.62 1.02 1.3

X. Xu et al., Surf Sci., 274 (1992) 378

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Choice of Multiplicity

• Metallic Cr: 3d5.244s0.76 (3d64s0 -- 3d54s1)

• 3d64s0: 5, 3, 1; 3d54s1: 7, 5, 3,1• Note: UHF wavefunctions of a quintet ar

e mixtures of wavefunctions from quintet and septet, rather than a pure quintet.

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Multiplicity Dependency in the UHF Calculations of Cr-CO

• *Fe: 3d7.344s0.61// (3d84s0 - 3d74s1)//(3),1 - 5,3,1• *Co: 3d8.374s0.63//(3d94s0 - 3d84s1)//(2) - 4,2

Multipl. 1 (3) (5) 7 CO/Cr

4 18.82 16.80 16.74 17.48 16.6

1 14.66 12.66 12.60 13.23 12.6

5 13.91 11.67 12.03 12.68  

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Metallic State Principle

M Mn M Mn MGround State Bulk Metallic StateComposition process Adiabatic decomposition proce

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Some relative methods

• Bond-Prepared State Principle

(P.E. M. Siegbahn et al., Stockholm, 1988)

• DAM (Dipped Adcluster Model)

(H. Nakatsuji, Kyoto, 1991)

• Many-Electron Embedding Theory

(J.L. Whitten, 1980; 1987)

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Example 2:NO2/Au(111)X. Lu, J.Phys.Chem. A,

103 (1999) 10969.

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NO2/Au21g

3u Bulk

HOMO -7.00 -5.63 -5.30

LUMO -4.20 -5.63 -5.30

Te 0.0 1.41

Properties of Au2 cluster and bulk Au (in eV)

Au Au2.884 A

N

O O

ZN

C2V

4g

4u

4b2

6a1

NO2 Au22A1

1g3u

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B3LYP calculations of NO2Au2

• NO2 (2A1) + Au2 (1g) NO2Au2 (2A1)

• NO2 (2A1) + Au2 (3u) NO2Au2 (2B2)2A1

2B2 NO2/Au

Etot (au) -476.02346 -475.99512

De (kcal/mol) 4.5 19.3 ~14.0

QNO2 0.004 -0.51

Spin of NO2 0.64 -0.13

Freqs. (cm-1)

(ONO) 742 802 800

s(NO2) 1195 1200 1178

as(NO2) 1406 1465

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More Cluster Models: Au7 and

Au12

• Results omitted from here

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3.4.2 Simple cluster model for ionic solidsHow to cut out a cluster?• Three Principles: Neutrality, Stoichiometry

and Coordination Principles. • Coordination number principle: 1) fewest d

angling bonds at the edge of a cut-out; 2) maintain the stronger dative bonds within the cluster.

X. Lu et al., 1) Chem. Phys. Lett. 291(1998) 457; 2) Int. J. Quant. Chem. 73 (1999) 377; 3) Theor. Chem. Acc. 102(1999) 179.

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CO/MgO

X. Lu et al., J. Phys. Chem. B, 105(2001) 10024.

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C2O32- Surface Species

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C3O42- Surface Species

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3.5 Embedded Cluster Model for Ionic Solid

( )F V V EC Slr

Isr

Isr

C Clr

C V

For ionic solid, VSsr can be replaced by VI

sr :

For ideally ionic solid, VIsr would be negligible:

ClrCC

lrSC EF )V(

i.e. Simple embedded cluster model

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3.5.1 Simple embedded cluster model

• A cut-out cluster is embedded into an array of point charges (always in formal charge) to represent the Madelung Potential of the ionic surroundings.

E = < C | TiiC

–iC

Zri

C

–iC

Qri

S

+ 1rij

i> jC

|C>

+ZZ

R

>C+

C

ZQ

RS

+QQ

R

>S

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Example 4: CO/MgO(100) and NiO(100)

• See in G. Pacchioni et al. Surf. Sci. 255 (1991) 344.

C

-

-

-

-

+ +

+

++

+

+

+

+

++++

+ +

+++

-

-

-

-

-

-

-

-

-

--

--

+

+

+

-

+

-

--

-

--

- -

++

++

+

+

+

+

+

+

+

z xO

Z

Y

X

Ni

O

Simple embedded cluster model for MgO(100) and NiO(100) ( Mg(Ni) +2; O: -2 )

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Demerits of simple embedded cluster model

Most of the ionic solids are not ideally ionic. Hence,

1) the ionic charges are always fractional;

2) the short range interaction between the cut-out cluster and its surrounding is seldom negligible.

Way-out:

1) Charge consistency

2) Minimize the short range interaction.

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Charge Consistence between the Embedded cluster and its PCC surrounding

E = < C | TiiC

–iC

Zri

C

–iC

Qri

S

+ 1rij

i> jC

|C>

+ZZ

R

>C+

C

ZQ

RS

+QQ

R

>S

Different embedding charge Q gives different C with different charges at the in-cluster atoms. Hence charge consistence between the embedding charges and the equivalent in-cluster atoms is essential and can be readily reached.

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自洽条件探讨

电荷自洽偶极矩自洽

电荷密度自洽偶极矩自洽

势自洽

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SPC Embedded Cluster Model

X. Lu et al, J. Phys. Chem. B 103(1999) 2689.

SphericalPoint Charges

SphericalPoint Charges

Self-consistency of Charge Density

Self-consistency of Charge Density

Cutout ClusterCutout ClusterSPC EmbeddingSPC Embedding

Coordination Principle

Coordination Principle

Stoichiometry Principle

Stoichiometry Principle

Nuetrality Principle

Nuetrality Principle

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Example: SPC Cluster Models for MgO

Island

(MgO)8

(MgO)4

(MgO)6(MgO)6

(MgO)4

(B) (A)

X. Lu et al., J. Phys. Chem. B, 103(1999) 3373.

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O13

O14

Mg15

Mg16

NO

R2

R1

O4

O1Mg7

Mg8

Mg5

Mg6

O3

O2

Mg11

Mg12

O10

O9

R3R3

O9

O10

Mg12

Mg11

O2

O3

Mg6

Mg5

Mg8

Mg7 O1

O4

R1R2

O

N

MgXC OYC MgZC

N1O1

N2

O2

MgXC OYC MgZC

N1O1

N2

O2

X. Lu et al., J. Phys. Chem. B, 103(1999) 5657.

NxOx+12- (X=1,2) Species Formed on MgO

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3.6 Saturated Cluster Model for Covalent Solids

• Saturating the radical-like dangling bonds at the edge of the cut-outs by using suitable saturators (e.g. H or other pseudoatoms).

• Widely employed in the study of covalent solid surfaces, e.g., Silicon, Diamond, Zeolite and so on.

• Examples shown below include Chemical Reactions on Silicon Surfaces.

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Atomic arrangements of a) X(100)-21 (X= Si, Ge) and b) Si(111)-77 reconstructed surfaces.

Side View

buckling

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Three models describing the bonding within a buckled X=X dimer

C

C

CC

C

Reconstruction of X(100) X= C, Si, Ge

C C

C C

C

C C

C C

C

(100) (100)

In the solid state, each atom adopts sp3 hybridization and

tetrahedral coordination.

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Two widely used cluster models for X(100)-2x1 surface

• X9H12 X15H16

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[2+2] addition of Alkene on Si(100)

• Possible pathways

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• -complex mechanism: FTIR spectra of dideuterioethylene/Si(100) suggested that the adsorption is stereospecific and stereoselective. (Liu et al., J. Am. Chem. Soc., 199

7, 119, 7593.) • Radical mechanism: STM images of 2-butene/Si(100) indicates the adsorption is not stereospecific, thought with a high stereoselectivity of 98%. (Lopinski et al., J. Am. Chem. Soc., 2000, 122, 3548.)

Controversy on the Mechanism

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X. Lu, J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 6384

3.484

1.481

1.944

2.3901 2

4

3

1 2

3

41.478

1.951

2.393

3.965

LM2

TS2

1

3

4

22.395

1.918

1.494

113.6

TS3

2.401

2.401

2.363

1.364

107.8

LM1

1.384

2.288

2.941

2.324

113.5

TS1

114.6

109.2

LM3

1.953 1.953

2.359

1.571

78.23.946

E = -1.6<S2> = 0.0

E = 4.2<S2> = 0.41

E = -3.3<S2> = 1.01

E = -3.1<S2> = 0.95

E = -0.7<S2> = 0.99

E = -42.5<S2> = 0.00

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C4H4X(X=S,O) on Si(100)-2x1 surface

X. Lu et al, J. Phys. Chem. B, 105(2001) 10069.

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C9H12

1.364

Example: HN3 reaction with C(100)-2x1

HN3 +C(100)

TS1' 7.3(5.1)

TS1 2.5(1.0)

LM1' -62.5(-68.3)

TS2' -8.8(-11.1)

LM1 -61.0(-64.4)

LM2' -70.7(-72.6)

TS2 -24.1(-28.1)

LM2 -66.2(-69.1)

+ N2(g)

+N2(g)

0.0(0.0)

X. Lu et al., Chem. Phys. Lett. 343(2001) 212.

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1,3-Dipolar Cycloadditions on C(100)-2x1

C

N

C

1.502 1.543

1.597

1.279 1.481

C N C1.096 1.224 1.279

172.8

109.4

C N C1.095 1.222 1.283

163.3

2.968

1.376

2.903

C N1.197 1.246

C

N

N1.0871.093

1.397

109.9

1.4671.500

1.594

1.289

Nitrile Ylide

TS_1

LM_1 LM_2

Nitrile Imine

N169.5

1.080

TS_2

C NN

1.0801.202 1.250

160.1

2.889 2.880

1.374

X. Lu et al., 1) J. Org. Chem. 67(2002) 515; 2) J. Phys. Chem. B, 106(2002) in press.

C N O1.065 1.163 1.212

CN O

1.2141.187

156.9

2.572 2.824

1.380

C

N

O1.0861.412

110.0

1.4401.493

1.582

1.284

LM_3

TS_3

Nitrile Oxide

C N N1.296 1.146

CN N

1.1481.317

159.2

2.537 2.701

C

N

N1.244

112.9

1.4701.524

1.589

1.508

1.388

Diazomethane

TS_4

LM_4 LM_5

Methyl Azide Nitrous Oxide

TS_6

LM_6

N N N1.475 1.234 1.143

173.1

N N O1.133 1.195

2.327 2.475

1.393

1.2171.156

149.7N

N ON NN

1.4661.250 1.159

151.1

2.445

1.388

2.580

TS_5

NN

N1.449 1.468

1.584

1.370 1.261

113.51.446

NN

O112.5

1.4661.227

1.460 1.420

1.578

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Example: NH3 on Si(111)-7x7

Side View

Top View

a)

1

2

3

46

1012

11

13

7

8

9

1615

14

5

X. Lu et al, Chem. Phys. Lett. 355(2002) 365.

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Profile of Energy Surface

E(kcal/mol)

0

TS1a

Reaction Coordinate

LM1a

LM2a-68.6(-68.1)

-28.6(-28.4)

-30.7(-27.4)

NH3(g)

Si(111)

LM1r

TS1r

LM2r

-39.6(-36.2)

-32.5(-32.6)

-66.5(-65.9)

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Organic functionalization of Si(111)

1234

1

23

4a

rr

a

c) TS1t

d) TS2t

1.93

2.01

1.51

1.34

1.58

3.55

b) LM1t

4.39

1.941.49

1.391.40

4.79a

r

1234

4.40 a

r

a) Trans-C4H6 & Si16H18

134

21.34

1.46

123

4 a

r

e) LM2t f) LM3t

1.93

1.96

1.501.34

1.50

4.47

1.34

4.424.16

1.941.49

1.391.39

r

a

12

341.93

3.883.20

1.51

1.431.37

E = 0.0 E = -16.3

E = -16.1

E = -10.9

E = -59.4 E = -40.2

S = 1.00 S = 1.03

S = 1.02

S = 0.66

(X. Lu et al, J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 7923)

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Benzene/Si(111)

b) LM1b

r

c) TS2be) LM2b

E= 6.7

E= 7.7 E=-21.5

a) TS1b

E = 9.2

a

1.99

1.49

1.371.421.42

1.371.49

4.38

123

4 56

4.315.58

r

a

1.39

1.44

1.44

1.41

1.39

1.41

2.34

4.40

123

4 5 6

16

23

4 5

2.01

a

r

4.394.54

1.491.371.42

1.421.37 1.49 1

234

56

r

a

1.98

2.01

1.34 1.51

1.51

r

a4.12

23

45 6

1 1.941.583.54

2.03

1.51

1.35

1.46 1.35 1.52

f) LM3bE= -5.7

a

r

12

3

45

6

1.97

3.00 3.84

1.511.41

1.38

1.44 1.36

1.50

E=12.1

d) TS3bS = 1.03 S = 1.02 S = 0.35

S = 1.02

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Prediction: C4H2 on X(100)

• Possible pathways

E = 1.1<S2> = 0.00

TS2E = -20.3<S2> = 0.90

1.92

6

1.33

2.45

147.8

1.91

1.28 5

1.92

6

LM2 E = -59.8<S2> = 0.00LM1

TS1

E =-60.1<S2> = 0.00

5

LM3

221 1

3

34

4

SOSP

E = -20.8<S2> = 1.03

E = -19.1<S2> = 0.86

3 4

5

6

1.37

2.36

1.42

1.21

3.19

2.25

1.221.35

167.8

1 2

3

4

5

6

1 2

3

4

5

6

1 2

3

45

6

1 22.39

1.90

1.31

1.32

1.24

114.2

123.5

2.38

1.89

1.32

1.34

1.23

3.28

2.39

1.92

1.32

1.341.23

3.47

103.7 114.0

(0.0)

Si9H12

TS2

C4H2

(-19.1)

LM2

LM3

TS1

LM1

+

(-20.8)

(-60.1)

(-20.3)

(-59.8)

E (kcal/mol)

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Is the direct [4+2] pathway realistic? No!!!!

The key point P4 on this pathway is indeed diradicaloid! Its UB3LYP wavefunction is 3.4 kcal/mol more stable than the RB3LYP one!!!

Si9H12

2.22

P1

1.37

C4H2

2

3 4

1

1.211.075 6

(-1.2)P2 P3

P4 P5 LM1

3.01 2.57 2.27

2.02 1.941.92 1.922.18

3.54

(-1.6)

(-9.6) (-62.3)(-48.6)

(-3.0)

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C4H2/Ge(100)

PES

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Is the direct [4+2] pathway realistic? No!!!!

The key point P4b on this pathway is indeed diradicaloid! Its UB3LYP wavefunction is more stable than the RB3LYP one!!!

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C4H2/Si(111): Prediction

PES

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outer layer

inner layer

A(set 1)

B (set 3)H (set 2)

X (set 4)

Model System = A + H

Real System = A + B

EONIOM= Ehow(A+H) – Elow(A+H) + Elow(A+B)

(K. Morokuma et al., J. Mol. Struct. (Theochem) 461-462(1999) 1.)

3.7 ONIOM Model

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Adsorption of Methanol, Formaldehyde and Formic Acid on Si(100)-21 Surface

( see X. Lu et al., Phys. Chem. Chem. Phys. 3(2001) 2156.)E(kcal/mol)

0

TS

Reaction Coordinate

LM1

LM2

-67.6(-67.9)

-12.6(-14.6)

-18.5(-16.9)

MethanolCCSD(T):B3LYP

Si2H4@Si9H12

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formaldehyde

1 2

O C

1.711

2.344

1.457

1.975

1.096

81.5

109.2

105.370.9

C

2

a)

1 2.367

107.31.958

1.210

126.2

121.01.082

120.61.081

b)

O

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LM1' LM2'

LM3'

TS'

LM4'

C

O

O

12

O

C

O

12

C OO

1 2

21

C

O

O

OCO

1 2

Formic acid

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b) ONIOM中最内层的 C24

簇a) SWNT(10,0)片断

Sidewall functionalization by F and H (Bauschilicher, Chem. Phys. Lett. 322(2000) 237.)

ONIOM(B3LYP:UFF)

• F atoms appear to favor bonding next to existing F atoms.

• Hydrogenation of the sidewall of SWNT is probably endothermic.

Results:

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Sidewall Functionalization of SWNT by1,3-Dipolar Cycloadditions

SWNT(5,5) 片断

ONIOM(B3LYP/6-31G*:AM1)

Predicted Reaction Energies (kcal/mol)

1

2

3

C C + HCNCH2C C

HCN

CH2

1,3-DC of nitrile ylide with an olefin

SWNT C2H4

(1,2) (2,3)

HCNCH2 -45.2 -16.0 -72.1

HCNO -20.2 9.9 45.9

O3 -38.7 -6.3 -56.6

X. Lu et al., 1) J. Phys. Chem. B, 106(2002), 2136; 2) J. Am. Chem. Soc., 2003, 125, 10459-10464.

3

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3.8 Cluster modeling of electrodes

• Charged cluster: [Cluster]

• Cluster in electric field.

• More realistic models are required.

- - - - - - - - - - --

+ + + + + + + + +

Liao, M. et al. Int. J. Quant. Chem., 67(1998), 175.

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Concluding Remarks• Methods of simulation vary with and depend

largely on the solids to be concerned. • A simulation process is meaningless itself, unless

certain physical criteria have been introduced to guarantee the consistence between the physical model and the real physical system.

• More significant is the scientific problem to be concerned.

• Simulation can be found everywhere nowadays.