材料化学专业
创新思维实践
设计方案
学生姓名： 学生学号： 指导教师： 刘元隆
2011 年 七 月
In5P5团簇的结构性质的理论计算研究
学生姓名：刘镇民 班级：080231
指导老师：刘元隆
摘要：用Gaussian软件(利用量子化学方法B3LYP/STO-3G）对In5P5的各种可能
构型进行理论计算，得到该团簇的3种可能构型，得到最优构型。了解了它们的键长，极性等性质。
关键字：Gaussian 03程序 In5P5团簇 B3LYP 构型
指导老师签名：
Theoretical study of the structure of In5P5 clusters
Student name: liu zhenmin Class：080231 Supervisor：liu yuanlong
Abstract: With Gaussian software (by quantum chemical method B3LYP/STO-3
G) to In5P5 possible configurations of the theoretical calculation, get the cluster the three possible configurations, and get the optimal configuration. Understand their bond distance , polarity character and so on.
Key word: Gaussian 03 program In5P5 clusters B3LYP configuration
Signature of Supervisor:
目录
1 引言 ................................................. 4 2 计算部分 ............................................. 5
2.1 计算准备 ........................................................ 5
2.1.1 计算平台 .................................................. 5 2.1.2 计算工具 .................................................. 5 2.1.3 计算原理 .................................................. 5 2.2 计算步骤 ........................................................ 5
2.2.1 构造In5P5团簇的结构以及Guass输入文件 ...................... 5 2.2.2 利用Gaussian 03程序进行结构优化 .......................... 6 2.2.3 用GaussView建立Z坐标 .................................... 6
3 结果与讨论 ........................................... 6
3.1 实验结果显示 .................................................... 6 3.2 键长及电荷分布 .................................................. 7 3.3 三种构型HOMO能级和LUMO能级 .................................... 8 3.4 总 结 ........................................................... 8
参考文献 ................................................ 8 致 谢 ................................................. 9
1引言
磷化铟是重要的III—V族化合物半导体材料之一，是继硅、砷化镓之后的新一代电子功能材料。InP单晶材料按电学性质主要分掺硫N型InP；掺锌P型InP掺铁或非掺杂退火半绝缘InP单晶。n型InP单晶用于光电器件，InP基的长波长(1．3-1．559rn)发光二极管、激光器和探测器己用于光纤通信系统。半绝缘InP衬底上可以制作高速、高频、宽带、低噪声微波、毫米波电子器件。InP基的异质结双极晶体管(HBT)、高电子迁移率晶体管(HEMT)的制造技术已成熟商品化的产品已正式推出，将用于新一代传输速度为40Gb/s的高速通信系统。P型InP主要用于高效抗辐射太阳能电池。近年来，InP晶片的需求量以每年15％的速度递增。专家预测InP产品未来十年的营业额将达到10亿美元的规模。
磷化铟有如此广泛的运用，In5P5团簇只能比起更复杂。要想了解其更多的性质，首先要推断其可能以及稳定构型。由于现在对于磷化铟的理论计算鲜有成果，要想对其进行理论计算，可参考磷化铟同一类的材料氮化镓的结构。近些年也有很多关于氮化镓的理论计算。比如宋斌等人的《氮化镓小团簇结构的理论研究》、郝静安等人的《Ga6N6团簇结构性质的理论计算研究》等等。这些文章都对氮化镓团簇结构性质进行了研究，让人们清楚了氮化镓的各种性质，这对于这种材料的运用有很多帮助。所以借鉴其方法对磷化铟团簇进行研究。
我们已经知道InP 单晶作为衬底材料主要应用于: ①光电器件, ②高速、高频电子器件。n 型InP 单晶是光电器件的主要衬底材料, 而高速、高频电子器件由于频率的要求只能在半绝缘衬底上制作。随着光纤通信数据传输系统的发展, 超过40Gb s- 1的多媒体传输系统中使用的器件为解决外延层界面结电容过大等问题, 也将采用半绝缘InP 衬底材料来制作, 因此半绝缘InP 晶体将成为InP 基电子器件和光电器件的共用材料。确实，InP在光纤制造、毫米波甚至在无线应用方面都明显地显示出使人信服的优于砷化镓的性能优点，我们相信这些优点将使InP与其它材料拉开差距，但由于其性价比和很多实际工艺问题，GaAs、InP所扮演的角色只是发挥其各自优势，与其他材料间没有完全替代性的关系。而且，化合物半导体材料的很多属性还远远未被了解，还有待于进一步深入探讨。
2 计算部分
2.1计算准备
2.1.1计算平台
本次实验都是在装有Windows 7系统、内存2GB由联想公司生产的Y450笔记本完成的，所用软件为Gaussain 03、Chem3D以及GaussView。 2.1.2计算工具
量子化学计算的软件是由许多模块连结成的程序包，可用来进行各种半经验和从头计算，其研究重点是分子的能量和结构、过渡态的能量和结构、振动频率、成键和化学反应能量、分子轨道、原子电荷等。Gaussian 03软件是目前应用最为广泛的量子化学计算软件，其准确性也得到广泛的认可。但无论哪种计算软件，实施前都要建立相应的理论计算模型。现在以Chem3D为画图工具创建Gaussain 03输入文件，使用Gaussain 03对其结构合理性进行优化，得到其结构总能量以及各种数据，帮助人们了解其性质。 2.1.3计算原理
本次试验所采用的是B3LYP/STO-3G为基组进行优化。计算化学有两种方法（分子力学方法和电子结构理论）。它们所能完成的任务类型基本上是一样的。A计算特定分子结构的能量。和能量相关的一些性质也可以通过某些方法来计算。B 完成构型优化，确定全局或局域最小点。构型优化主要取决于能量的梯度-也就是能量对原子坐标的一阶导。构型优化是化学计算的基础，任何性质的计算都是在已优化好的分子结构上进行的。一个分子结构对应一个波函，一个波函就可以解出一个能量值，在自然条件下，体系倾向于以能量最低的形式存在（也就是我们常说的最稳定的构型）。
2.2计算步骤
2.2.1构造In5P5团簇的结构以及Guass输入文件 打开Cham3D软件，点击工具条上的工作窗口的空白区内任意位置，将出现一个
钮，用指示变成
状的鼠标点击当前
形文本输入框。在框内键入符
合Chem3D 语法的分子式“In5P5”，界面上就出现一个In5P5的分子构型。点击钮，移动各原子的位置，构造分子构型。这时需要注意的是在用Chem3D所给的集团组合成所研究的分子时，一定要注意这一点：各个集团相连接位置的键长，键角和二面角一定要合理。不要连上就不管了，应该查找数据给出连接原子间合理的键长，键角和二面角。
在线启动MOPAC 软件进行分子几何预优化。打开命令栏上的“MOPAC”下拉菜单，点击该下拉菜单中的“Minimize Energy…”命令，跳出同名的“Minimize Energy”对话框，在对话框上点菜单“Job Type”，在“Job”栏上选“Minimize Energy”；点取“Copy Measuremments to Message”；将“Minimum RMS”之取值修改为0.0001（默认值为0.1）。再点菜单“Theory”，在“Method”栏选“PM3”；在“Wavefunction”栏选“Closed Shell”。上述各选项和取值的结果核实无误后，点击对话框右下角的“Run”钮，PM3 程序当即启动，开始进行几何优化计算。
创建Gaussian 输入文件。打开命令栏上的“Gaussian”下拉菜单，点击“Create Input File”命令。在跳出的“Create Input Fil”对话框上点菜单“Job Type”，在“Job”栏上选“Minimize Energy”；点取“Copy Measuremments to Message”、“Do Not Calculate Forece Constant”和“Use Tight Convergence Criteria”。点菜单“Theory”，在“Method”栏点取“B3LYP（即单组态自洽场从头算）”；在“Wavefunction”栏选“Closed Shell”。本菜单下的“Basis”栏选“STO-3G”。上述各选项和取值的结果核实无误后，点击对话框左下角的“Greate”，将文件保存为“In5P5.GJF”，输入文件的创建即大功告成。
2.2.2利用Gaussian 03程序进行结构优化
点击Gaussian 03中“File”菜单中“Open”，打开第三步所创建的“In5P5.GJF”高斯文件，再点击“运行”按钮，Gaussian程序就开始计算，同时要选择输出文件的保存路径，可保存为“In5P5.out”。 2.2.3用GaussView建立Z坐标
打开GaussView软件，点击菜单中“File”，选择“Open”，打开用Chem3D所建立的高斯文件。再打开菜单中“Edit”下拉的菜单“Point Group”，之后弹出一个对话框。点击“Enable Point Group Symetry”，在选择“Tolerance”中选项使得“Current point group”显示Cs。此时点击按钮“Symmetrize”就使该结构保持为Cs点阵了。点击“File”菜单中“save”，保存为“In5P5.gif”。再用GaussView软件打开“In5P5.gif”文件，对照“In5P5.gif”文本文档修改数据，即大功告成。
3结果与讨论
3.1实验结果显示
用GaussView打开Gauss输出文件，观察优化结果。打开GaussView软件，点击
“File”，在下拉菜单中选取“Open”，打开要观察构型的Gaussian03输出文件“In5P5.OUT”，其效果图如下所示。
⑴ ⑵ ⑶
图1、In5P5团簇结构
表1、三种不同结构的性质
由表可知：①结构⑴的能量最低，其最稳定，该结构是他们三中最优结构。 ②-V/T常数都接近2，说明这些构型准确度较高。
3.2键长及电荷分布
关于In5P5团簇结构键长以及其他性质的查看，可直接打开高斯输出文件或者用GaussView软件查看。点击“File”菜单中“Open”，打开高斯输出文件，再点击“Results”菜单中的“Summary”和“Charges”，就可对该构型的很多性质进行研究。下表为In5P5的键长及电荷量分布：
表2、In5P5 键长及电荷分布
从上表可以看出：每种键长跨度有些大，其中以P-P亏度最大，In-In跨度最小。另外In原子和P原子都是弱极性的，形成的都是极性键。
3.3三种构型HOMO能级和LUMO能级
表3、HOMO能级和LUMO能级
由上表可以得出结论：构型⑶的HOMO能级和LUMO能级差最高，故其最稳定。这与表1得出的结论矛盾了。
3.4总结
本次实验通过Guassian 03程序对In5P5 团簇可能构型进行理论计算，得到三种可能构型。通过对这三种构型的性质的了解，对于In5P5 团簇的性质有了大致的了解。通过分析这三个构型的总能量可以知道构型⑴是三个中最稳定构型，通过高斯输出文件知道了各个原子之间的键长、键角以及二面角的大小，以及它们的HOMO能级和LUMO能级的大小以及差值。这些性质都有利于今后对于磷化铟团簇的生产和运用。
参考文献
[1].孙聂枫.高质量、大直径磷化铟单晶研究.硕士学位论文.2004
[2].马德明等.密度泛函理论对GamAsn团簇的结构及稳定性的研究.原子与分子物理学报.2008,25(4)
[3].耿后安等.图形软件与Gaussian 98W程序的联合应用研究.计算机与应用化学.2004,5(28) [4].郭瑞萍等.量子化学软件的应用研究.2009
[5].王素凡等.铬-磷二元团簇（CrP4，CrP8 ）的量子化学研究.高等学校化学学报，2002,4 [6].Gaussian．Gaussian 03用户参考手册[K]．Gaussian，Inc。2003 [7].Ganssian.gauss使用指南.Gaussian，Inc。2003
[8].郝静安等.Ga6N6团簇结构性质的理论计算研究.物理学报，2004,4
+
+
[9].宋斌等.氮化镓小团簇结构的理论研究.浙江大学学报(理学版)，2004,5
[10].俞健等.GaAs团簇的理论研究进展及趋势.杭州师范学院学报（自然科学版)，2006,11 [11].孙聂枫.InP晶体合成、生长和特性.天津大学博士学位论文，2008.
致 谢
本论文是在刘元隆老师的精心指导下完成的，刘元隆老师严谨的治学精神与无私的对学生传道授业的态度深深影响了我，在此我表示感谢！还要感谢王芳老师的悉心帮助，没有王芳老师的帮助，我不可能如此顺利的完成本次论文。我还要感谢我的队友，在他们的帮助下，我获得了很大的启发。
材料化学专业
创新思维实践
设计方案
学生姓名： 学生学号： 指导教师： 刘元隆
2011 年 七 月
In5P5团簇的结构性质的理论计算研究
学生姓名：刘镇民 班级：080231
指导老师：刘元隆
摘要：用Gaussian软件(利用量子化学方法B3LYP/STO-3G）对In5P5的各种可能
构型进行理论计算，得到该团簇的3种可能构型，得到最优构型。了解了它们的键长，极性等性质。
关键字：Gaussian 03程序 In5P5团簇 B3LYP 构型
指导老师签名：
Theoretical study of the structure of In5P5 clusters
Student name: liu zhenmin Class：080231 Supervisor：liu yuanlong
Abstract: With Gaussian software (by quantum chemical method B3LYP/STO-3
G) to In5P5 possible configurations of the theoretical calculation, get the cluster the three possible configurations, and get the optimal configuration. Understand their bond distance , polarity character and so on.
Key word: Gaussian 03 program In5P5 clusters B3LYP configuration
Signature of Supervisor:
目录
1 引言 ................................................. 4 2 计算部分 ............................................. 5
2.1 计算准备 ........................................................ 5
2.1.1 计算平台 .................................................. 5 2.1.2 计算工具 .................................................. 5 2.1.3 计算原理 .................................................. 5 2.2 计算步骤 ........................................................ 5
2.2.1 构造In5P5团簇的结构以及Guass输入文件 ...................... 5 2.2.2 利用Gaussian 03程序进行结构优化 .......................... 6 2.2.3 用GaussView建立Z坐标 .................................... 6
3 结果与讨论 ........................................... 6
3.1 实验结果显示 .................................................... 6 3.2 键长及电荷分布 .................................................. 7 3.3 三种构型HOMO能级和LUMO能级 .................................... 8 3.4 总 结 ........................................................... 8
参考文献 ................................................ 8 致 谢 ................................................. 9
1引言
磷化铟是重要的III—V族化合物半导体材料之一，是继硅、砷化镓之后的新一代电子功能材料。InP单晶材料按电学性质主要分掺硫N型InP；掺锌P型InP掺铁或非掺杂退火半绝缘InP单晶。n型InP单晶用于光电器件，InP基的长波长(1．3-1．559rn)发光二极管、激光器和探测器己用于光纤通信系统。半绝缘InP衬底上可以制作高速、高频、宽带、低噪声微波、毫米波电子器件。InP基的异质结双极晶体管(HBT)、高电子迁移率晶体管(HEMT)的制造技术已成熟商品化的产品已正式推出，将用于新一代传输速度为40Gb/s的高速通信系统。P型InP主要用于高效抗辐射太阳能电池。近年来，InP晶片的需求量以每年15％的速度递增。专家预测InP产品未来十年的营业额将达到10亿美元的规模。
磷化铟有如此广泛的运用，In5P5团簇只能比起更复杂。要想了解其更多的性质，首先要推断其可能以及稳定构型。由于现在对于磷化铟的理论计算鲜有成果，要想对其进行理论计算，可参考磷化铟同一类的材料氮化镓的结构。近些年也有很多关于氮化镓的理论计算。比如宋斌等人的《氮化镓小团簇结构的理论研究》、郝静安等人的《Ga6N6团簇结构性质的理论计算研究》等等。这些文章都对氮化镓团簇结构性质进行了研究，让人们清楚了氮化镓的各种性质，这对于这种材料的运用有很多帮助。所以借鉴其方法对磷化铟团簇进行研究。
我们已经知道InP 单晶作为衬底材料主要应用于: ①光电器件, ②高速、高频电子器件。n 型InP 单晶是光电器件的主要衬底材料, 而高速、高频电子器件由于频率的要求只能在半绝缘衬底上制作。随着光纤通信数据传输系统的发展, 超过40Gb s- 1的多媒体传输系统中使用的器件为解决外延层界面结电容过大等问题, 也将采用半绝缘InP 衬底材料来制作, 因此半绝缘InP 晶体将成为InP 基电子器件和光电器件的共用材料。确实，InP在光纤制造、毫米波甚至在无线应用方面都明显地显示出使人信服的优于砷化镓的性能优点，我们相信这些优点将使InP与其它材料拉开差距，但由于其性价比和很多实际工艺问题，GaAs、InP所扮演的角色只是发挥其各自优势，与其他材料间没有完全替代性的关系。而且，化合物半导体材料的很多属性还远远未被了解，还有待于进一步深入探讨。
2 计算部分
2.1计算准备
2.1.1计算平台
本次实验都是在装有Windows 7系统、内存2GB由联想公司生产的Y450笔记本完成的，所用软件为Gaussain 03、Chem3D以及GaussView。 2.1.2计算工具
量子化学计算的软件是由许多模块连结成的程序包，可用来进行各种半经验和从头计算，其研究重点是分子的能量和结构、过渡态的能量和结构、振动频率、成键和化学反应能量、分子轨道、原子电荷等。Gaussian 03软件是目前应用最为广泛的量子化学计算软件，其准确性也得到广泛的认可。但无论哪种计算软件，实施前都要建立相应的理论计算模型。现在以Chem3D为画图工具创建Gaussain 03输入文件，使用Gaussain 03对其结构合理性进行优化，得到其结构总能量以及各种数据，帮助人们了解其性质。 2.1.3计算原理
本次试验所采用的是B3LYP/STO-3G为基组进行优化。计算化学有两种方法（分子力学方法和电子结构理论）。它们所能完成的任务类型基本上是一样的。A计算特定分子结构的能量。和能量相关的一些性质也可以通过某些方法来计算。B 完成构型优化，确定全局或局域最小点。构型优化主要取决于能量的梯度-也就是能量对原子坐标的一阶导。构型优化是化学计算的基础，任何性质的计算都是在已优化好的分子结构上进行的。一个分子结构对应一个波函，一个波函就可以解出一个能量值，在自然条件下，体系倾向于以能量最低的形式存在（也就是我们常说的最稳定的构型）。
2.2计算步骤
2.2.1构造In5P5团簇的结构以及Guass输入文件 打开Cham3D软件，点击工具条上的工作窗口的空白区内任意位置，将出现一个
钮，用指示变成
状的鼠标点击当前
形文本输入框。在框内键入符
合Chem3D 语法的分子式“In5P5”，界面上就出现一个In5P5的分子构型。点击钮，移动各原子的位置，构造分子构型。这时需要注意的是在用Chem3D所给的集团组合成所研究的分子时，一定要注意这一点：各个集团相连接位置的键长，键角和二面角一定要合理。不要连上就不管了，应该查找数据给出连接原子间合理的键长，键角和二面角。
在线启动MOPAC 软件进行分子几何预优化。打开命令栏上的“MOPAC”下拉菜单，点击该下拉菜单中的“Minimize Energy…”命令，跳出同名的“Minimize Energy”对话框，在对话框上点菜单“Job Type”，在“Job”栏上选“Minimize Energy”；点取“Copy Measuremments to Message”；将“Minimum RMS”之取值修改为0.0001（默认值为0.1）。再点菜单“Theory”，在“Method”栏选“PM3”；在“Wavefunction”栏选“Closed Shell”。上述各选项和取值的结果核实无误后，点击对话框右下角的“Run”钮，PM3 程序当即启动，开始进行几何优化计算。
创建Gaussian 输入文件。打开命令栏上的“Gaussian”下拉菜单，点击“Create Input File”命令。在跳出的“Create Input Fil”对话框上点菜单“Job Type”，在“Job”栏上选“Minimize Energy”；点取“Copy Measuremments to Message”、“Do Not Calculate Forece Constant”和“Use Tight Convergence Criteria”。点菜单“Theory”，在“Method”栏点取“B3LYP（即单组态自洽场从头算）”；在“Wavefunction”栏选“Closed Shell”。本菜单下的“Basis”栏选“STO-3G”。上述各选项和取值的结果核实无误后，点击对话框左下角的“Greate”，将文件保存为“In5P5.GJF”，输入文件的创建即大功告成。
2.2.2利用Gaussian 03程序进行结构优化
点击Gaussian 03中“File”菜单中“Open”，打开第三步所创建的“In5P5.GJF”高斯文件，再点击“运行”按钮，Gaussian程序就开始计算，同时要选择输出文件的保存路径，可保存为“In5P5.out”。 2.2.3用GaussView建立Z坐标
打开GaussView软件，点击菜单中“File”，选择“Open”，打开用Chem3D所建立的高斯文件。再打开菜单中“Edit”下拉的菜单“Point Group”，之后弹出一个对话框。点击“Enable Point Group Symetry”，在选择“Tolerance”中选项使得“Current point group”显示Cs。此时点击按钮“Symmetrize”就使该结构保持为Cs点阵了。点击“File”菜单中“save”，保存为“In5P5.gif”。再用GaussView软件打开“In5P5.gif”文件，对照“In5P5.gif”文本文档修改数据，即大功告成。
3结果与讨论
3.1实验结果显示
用GaussView打开Gauss输出文件，观察优化结果。打开GaussView软件，点击
“File”，在下拉菜单中选取“Open”，打开要观察构型的Gaussian03输出文件“In5P5.OUT”，其效果图如下所示。
⑴ ⑵ ⑶
图1、In5P5团簇结构
表1、三种不同结构的性质
由表可知：①结构⑴的能量最低，其最稳定，该结构是他们三中最优结构。 ②-V/T常数都接近2，说明这些构型准确度较高。
3.2键长及电荷分布
关于In5P5团簇结构键长以及其他性质的查看，可直接打开高斯输出文件或者用GaussView软件查看。点击“File”菜单中“Open”，打开高斯输出文件，再点击“Results”菜单中的“Summary”和“Charges”，就可对该构型的很多性质进行研究。下表为In5P5的键长及电荷量分布：
表2、In5P5 键长及电荷分布
从上表可以看出：每种键长跨度有些大，其中以P-P亏度最大，In-In跨度最小。另外In原子和P原子都是弱极性的，形成的都是极性键。
3.3三种构型HOMO能级和LUMO能级
表3、HOMO能级和LUMO能级
由上表可以得出结论：构型⑶的HOMO能级和LUMO能级差最高，故其最稳定。这与表1得出的结论矛盾了。
3.4总结
本次实验通过Guassian 03程序对In5P5 团簇可能构型进行理论计算，得到三种可能构型。通过对这三种构型的性质的了解，对于In5P5 团簇的性质有了大致的了解。通过分析这三个构型的总能量可以知道构型⑴是三个中最稳定构型，通过高斯输出文件知道了各个原子之间的键长、键角以及二面角的大小，以及它们的HOMO能级和LUMO能级的大小以及差值。这些性质都有利于今后对于磷化铟团簇的生产和运用。
参考文献
[1].孙聂枫.高质量、大直径磷化铟单晶研究.硕士学位论文.2004
[2].马德明等.密度泛函理论对GamAsn团簇的结构及稳定性的研究.原子与分子物理学报.2008,25(4)
[3].耿后安等.图形软件与Gaussian 98W程序的联合应用研究.计算机与应用化学.2004,5(28) [4].郭瑞萍等.量子化学软件的应用研究.2009
[5].王素凡等.铬-磷二元团簇（CrP4，CrP8 ）的量子化学研究.高等学校化学学报，2002,4 [6].Gaussian．Gaussian 03用户参考手册[K]．Gaussian，Inc。2003 [7].Ganssian.gauss使用指南.Gaussian，Inc。2003
[8].郝静安等.Ga6N6团簇结构性质的理论计算研究.物理学报，2004,4
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[9].宋斌等.氮化镓小团簇结构的理论研究.浙江大学学报(理学版)，2004,5
[10].俞健等.GaAs团簇的理论研究进展及趋势.杭州师范学院学报（自然科学版)，2006,11 [11].孙聂枫.InP晶体合成、生长和特性.天津大学博士学位论文，2008.
致 谢
本论文是在刘元隆老师的精心指导下完成的，刘元隆老师严谨的治学精神与无私的对学生传道授业的态度深深影响了我，在此我表示感谢！还要感谢王芳老师的悉心帮助，没有王芳老师的帮助，我不可能如此顺利的完成本次论文。我还要感谢我的队友，在他们的帮助下，我获得了很大的启发。