NaCl晶体的光电特性计算

论文总字数：22942字

目 录

摘要： 1

1.绪论 3

1.1 NaCl固体的基本性质 3

1.2 气溶胶 3

1.2.1 气溶胶的概念和组成成分 3

1.2.2 气溶胶的化学反应与物理作用 3

1.2.3 海盐气溶胶 3

1.3 密度泛函理论（Density Functional Theory，DFT） 4

1.4 计算软件 4

2.NaCl不同表面的光电性质 6

2.1 NaCl(1 0 0)面的光电特性研究 6

2.1.1 NaCl(1 0 0)面建模 6

2.1.2 NaCl(1 0 0)面特性计算 8

2.2 NaCl(1 1 0)面的光电特性研究 15

2.2.1 NaCl(1 1 0)面建模 15

2.2.2 NaCl(1 1 0)面特性计算 16

2.3 NaCl(1 1 1)面的光电特性研究 21

2.3.1 NaCl(1 1 1)面建模 21

2.3.2 NaCl(1 1 1)面特性计算 21

3.NaCl(1 0 0)的表面吸附研究 26

3.1 CO虚拟晶体模型 26

3.1.1构建CO的虚拟晶体模型 26

3.1.2 计算分析CO晶体模型 28

3.1.3 NaCl(1 0 0)面吸附CO 30

3.2 水分子虚拟晶体模型 33

3.2.1 建立水分子的虚拟晶体模型 33

3.2.2 计算分析水分子晶体模型 33

3.2.3 NaCl(1 0 0)面吸附水分子 36

4.结论 39

参考文献 40

致谢 41

NaCl晶体的光电特性计算

尚志强

，China

Abstract：Using the CASTEP module in the software Material Studio which based on the first principle calculations. We created the (1 0 0); (1 1 0); (1 1 1)surface of the NaCl crystal, and got the informations such as: band gap structure, density of states, PDOS by Geometry optimization and calculations. At the same time, we got the reflectivity and refractive index of these surface. We studied the CO and H₂O molecule absorption on NaCl(1 0 0), and the result turns out that the eflectivity and refractive absorption spectrum of 1eV~5eV descend firstly then ascend.

The results of this paper have some reference value for the analysis of the optical properties of NaCl aerosol, it is expected to have applied value in the field of atmospheric detection, environmental protection, aerosol detection and so on.

Key words：NaCl；Band structure；absorption spectrum；aerosol.

1 绪论

1.1 NaCl固体的基本性质

氯化钠是食盐的主要组成部分，它易溶于水和甘油，微溶于液氨和乙醇，不溶于浓盐酸。氯化钠的熔点是801℃，沸点是1465℃，密度是2.165g/cm3。在自然状态下，氯化钠呈白色的无臭结晶粉末状，空气中具有一定的潮解性，在水溶液中显中性，有着极好的稳定性。用途方面主要用来配置生理盐水。

在晶体结构方面，其结构是立体对称。体积较为大的氯离子，堆积形成最密堆积，而体积较为小的钠离子，填充在氯离子所形成的八面体的空隙之中，形成每个离子的周围都是另外6个离子所包围的结构，与此结构相似的其他化合物，都被成为氯化钠型结构或者是食盐结构。

1.2 气溶胶

1.2.1 气溶胶的概念和组成成分

气溶胶是一种稳定性质的混合体系的状态，一般是由悬浮在大气中的微小固体颗粒和液体颗粒共同构成，这种颗粒的直径可以从几个纳米的数量级到几百微米。气溶胶的产生可以分成两种来源，一种是自然环境的产生，包括矿物质气溶胶、海盐等，另一种就是人类活动的产物，有硝酸盐气溶胶、硫酸盐气溶胶等二次气溶胶，当然，当前社会所面临的最严重的污染之一雾霾，也是人类活动形成的气溶胶污染物。

气溶胶的表面会与气体发生一定的化学反应，但是同时由于气溶胶的表面的架构什么复杂，这种化学反应的微观过程就成为了学术研究的一大难题。气溶胶的浓度和组成成分对于大气环境的气候效应影响深重，因此，尽管气溶胶在大气成分中所占的比例很小，但是它起到的作用缺不容忽视。

1.2.2 气溶胶的化学反应与物理作用

气溶胶的化学反应主要是包含着两个方面：第一种是气相的物质与气溶胶发生的化学反应的过程；第二种是，在生成气溶胶的过程中所发生的化学反应。

大气成分中的气体主要是氮、氧、氩、二氧化碳，它们的成分占了大气总含量的99.997%，而除去这些气体的其他含量极少的气体成分都是以痕量气体的形式存在的，但是这些含量极少的痕量气体，却对大气环境有着极大的影响，现在社会所共同面对的几大污染难题，包括酸雨、温室效应、光化学污染和臭氧层空洞，都与痕量气体息息相关，这些痕量气体时时刻刻关系到人类的健康状况和生存环境。这些痕量气体可以在气溶胶的表面发生化学反应，当这些非均相的化学反应发生时，对大气的对流层甚至是臭氧层，都有着十分严重的影响。

气溶胶以两种不同的形式来影响到大气环境和气候变化，第一，间接影响，间接影响的方式就要考虑到云层状况，大气中云层的分布区域，云层的薄厚，云层的光学特性等因素都可以影响到气候，而气溶胶在大气中恰恰可以实现云凝结核（CCN），这种云凝结核的实现是可以改变大气中云层的分布状况以及云层的光学特性，进而间接影响到大气环境和气候状况。第二，直接影响，这种方式比较常见，由于气溶胶的物理特性，对太阳光进行散射，对太阳辐射部分的吸收，所以直接影响就是通过这种气溶胶特性的散射和吸收来影响气候。

气溶胶的微观表面性质较为复杂，在其微观表面进行的物理化学反应和变化，对于现如今的大气环境和气候研究来讲，依旧是有待解决的重大问题。气溶胶的表面性质主要有粘合、吸着和成核作用三种。粘合，顾名思义就是气溶胶可以紧密粘着在一些固体的表面，或者气溶胶彼此之间也可以相互粘合。吸着是指气溶胶能够吸附一些痕量气体。成核作用，是指当蒸汽在气溶胶的表面过分饱和的时候，以气溶胶作为核形成液滴的现象，雨滴的形成原理也是如此。

1.2.3 海盐气溶胶

海洋中的盐类含量平均大约是3.5%，考虑到海洋的广大面积和惊人的水量，每年大约有10亿吨的海水盐分蒸发到海平面近海的大气中，蒸发的盐类在大气中形成气溶胶。而这些海水盐类中最主要的成分就是NaCl，所以海盐气溶胶中的主要研究对象就是NaCl。

就亚洲地区的海盐气溶胶含量来讲，东亚地区的海域上空，海盐气溶胶的年平均浓度大约是14.69μg·m^-3，而且，海盐气溶胶的浓度高值与季节的变化相关，夏季时的平均浓度是7.59μg·m^-3，冬季是26.27μg·m^-3，夏季的高浓度值中心位置是在黄海，冬季则是南海。

早在1958年是的时候，Orr等人就已经做了NaCl气溶胶的吸水性研究的，他们的研究表明了，NaCl气溶胶的洗湿性呈现阶段性的，是以相对湿度（RH）为一个临界点呈现出不同的变化的，当RH大于~75%的时候，以~75%开始进行大量的吸水，并且吸水量随着相对湿度的升高而持续加大；当RH小于~75%的时候，NaCl气溶胶的吸水量很小，随着相对湿度的升高，吸水量并没有呈现大幅的增多。

海盐类的气溶胶对水分吸附的理论研究主要是以NaCl的表面进行的，这类的理论研究一般是以密度泛函理论作为主要依据。2006年，wang等人就进行了这样的工作，他们用NaCl的（001）面作为吸附表面吸附水分子，最后的研究表明：单个的水分子，平面向下倾斜才是最稳定的吸附方式，水分子中的O是最容易吸附到钠离子，H则是最容易吸附到带了负电的氯离子上。而且，水分子的氢键对于吸附方式的影响有着至关重要的作用，同时，吸附形成的构型对于氢键的强度也是有着影响的，这是一种相互影响的作用，特别是当水分子以单层形式，或者大于单层的吸附排布时，水分子之间由于氢键的因素，会自发的结成环状网络结构。后来的几年内，许多科研工作者都进行了大量的NaCl吸附水分子的理论研究，研究表明，水分子的相互作用也会对吸附构型起一定影响。

1.3 密度泛函理论（Density Functional Theory，DFT）

由于多电子波函数一般都含有3N个变量，N表示的是电子数目，每个电子包含了三个空间变量，而电子密度却只是这三个变量的相关函数，因此无论是从概念还是实际的角度出发，密度泛函理论更加处理分子动力学的问题。

密度泛函理论，是在玻恩-奥本海默绝热近似和量子力学的基础之上的从头计算的一种方法，而这种方法又是由一个定理体系来支撑，即Hohenberg-Kohn定理：一个电子体系的基态唯一是由电子密度的分布情况决定。这样的话，我们想要获得电子密度分布可以用最优化理论并且通过KS-SCF自洽迭代的方法来求解单个电子多体的薛定谔方程。这样的操作明显会是变量的数量变少，整个体系物理量的震荡程度也变小，收敛速度得到一定的提高，更容易应用HF定理结合分子动力学的模拟，形成了从头算的方法。

1.4 计算软件

Material Studio软件是被广泛使用在材料计算中的一款热门软件，是由美国的Accelrys研发，作为一款热门的电子计算机材料计算软件，它的应用和涉及的领域十分广泛，教育和科研研究、汽车制造和设计、航空航天、化工生产、石化、食品、药物制造等等领域都会使用到Material Studio软件。特别是对于材料的研究和制造，他可以起到良师益友的作用，对各种材料性质的预测，对x射线衍射进行分析，对各种分子或者晶体模型进行结构优化等不能离开该软件。

Material Studio软件中包含着很多的模块，Materials Visualizer模块是该软件的核心模块；Discover模块是进行分子体系结构和运行轨迹的计算模块；COMPASS模块主要用于凝聚态体系的精确计算；Amorphous Cell模块用于研究内聚能、局部的链运动、锥堆砌等复杂的运动；Reflex模块用于衍射图谱分析和x光的分析；Reflex Plus是Reflex的改善版本；Equilibria主要用于烃类物质的计算和分析；Dmol3模块是所有模块中唯一中可以用来模拟液相、气相甚至是固体的过程的软件；Castep模块是应用最为广泛的模块，以建立三维的晶体解构为途径，可以研究各种材料的能量和光特性、电子效应等等。

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