First principles studies on molecular structure and electronic properties of K- and Ba-codoped phenanthrene

采用基于密度泛函理论的平面波赝势法，对钾钡共掺杂情形下菲分子晶体的结构、能带、电子态密度、形成能、电荷转移等电子特性进行系统的研究.通过对比计入范德瓦尔斯力作用前后晶体结构的差异，说明计算中包含范德瓦尔斯力修正的重要性.从形成能的角度证明了共掺杂的可行性和稳定性.在钾钙、钾锶、钾钡等共掺杂元素组合中，K1Ba1-菲中平均每个金属原子的形成能为-0.25 eV，远大于K1Sr1-菲和K1Ca1-菲中的-0.13和-0.04 eV，钾钡共掺杂是最合理的方案.只有单双价金属共掺杂，才能使分子呈现负三价.此时，菲分子最低未占据轨道（LUMO）和LUMO+1轨道组成的能带正好位于费米能级处，K1Ba1-菲呈现金属性.费米能级处的态密度为17.3 eV-1，电子态主要来自于碳原子的2p轨道，钡原子的5d轨道也有少许贡献.从理论模拟的角度研究了K1Ba1-菲的晶体结构和电子特性，在已有实验和理论研究尚未涉及共掺杂的背景下，提出了不同价态金属共掺杂方案，为制备芳烃有机超导体样品和调制体系电子结构提供了新的研究思路.