GW/BSE级别下的非绝热动力学模拟揭示桥连化学键对调控酞菁锌-富勒烯给体-受体复合物激发态弛豫过程的重要作用（英文）

本文采用基于多体格林函数方法和Bethe-Salpeter方程(GW/BSE)的电子结构计算方法和非绝热动力学模拟研究了两种不同桥连化学键构型(5-6构型和6-6构型)的酞菁锌-富勒烯(ZnPc-C_(60))给受体复合物的激发态性质及其弛豫过程.对于6-6构型,ZnPc-C_(60)的最低激发态S_1态为光谱明态,即ZnPc的局域激发(LE)态,因此,6-6构型的ZnPc-C_(60)在光激发之后几乎不会发生电荷分离过程.相比之下,5-6构型的ZnPc-C_(60)的S_1态是C_(60)的LE态,为光谱暗态,而作为光谱明态的ZnPc的LE态的能量更高.而且,在ZnPc和C_(60)的LE态之间还存在若干电荷转移(CT)态.因此,电荷转移会在从高能的ZnPc的LE态到低能的C_(60)的LE态的弛豫过程中发生.GW/BSE级别的非绝热动力学模拟结果进一步验证了电子结构计算的结论,并给出了相关过程的时间尺度:从ZnPc到C_(60)的超快激发态能量转移过程在前200 fs完成;随后发生的是由C_(60)到ZnPc的超快空穴转移过程.本工作表明不同的桥连化学键模式(即5-6和6-6构型)可用于调节ZnPcC_(60)给体-受体复合物的激发态性质及其光电性质.与此同时,本工作证明了GW/BSE级别的非绝热动力学方法是探索非周期性给体-受体复合物、有机金属配合物、量子点、纳米团簇等复杂体系的光诱导动力学的可靠工具.     

飞秒时间分辨拉曼光谱用于研究β-胡萝卜素单重激发态内转换和振动弛豫过程

搭建了飞秒时间分辨受激拉曼光谱(FSRS)装置，并用于研究全反式β-胡萝卜素单重电子激发态超快内转换和振动弛豫过程.基于三脉冲“抽运-探测”方案搭建的时间分辨受激拉曼光谱装置同时实现了150fs的时间分辨率和23.7cm^-1的光谱分辨率，光谱检测范围为300—4000cm^-1.对全反式β-胡萝卜素电子激发态的飞秒时间分辨拉曼光谱研究表明，β-胡萝卜素被激发到S₂态后，经由寿命约为0.3ps的中间态S_X态实     

黄芩素激发态分子内质子转移耦合电荷转移反应的实验和理论研究

通过稳态光谱实验和量子化学计算相结合,研究了黄芩素激发态质子转移耦合电荷转移的反应. 实验和计算中S₁态吸收峰的缺失表明S₁态是暗态. S₁暗态导致在实验中观察不到黄芩素在乙醇溶液中的荧光峰,且固体的荧光峰很弱. 黄芩素分子的前线分子轨道和电荷差异密度表明S₁态是电荷转移态,然而S₂态是局域激发态. 计算的黄芩素分子的势能曲线在激发态只有一个稳定点,这表明了黄芩素激发态分子内质子转移的过程是一个无     

基于激发态运动方程耦合簇的神经网络透热势能矩阵：苯硫酚1πσ*态-介导的光解

本文用最近发展的神经网络拟合方法[Chin. J. Chem. Phys. 34,825 (2021)]构造了一个新的涉及苯硫酚¹πσ^*态-介导光解的¹ππ^*和¹πσ^*态耦合非绝热势能面. 势能面包含了解离过程中的三个关键振动模式,即S-H伸缩、弯曲和扭转振动. 由于单双激发态运动方程耦合簇方法具有简单、效率高、精度高的优点,采用激发态运动方程耦合簇方法计算了苯硫酚激发态¹ππ^*和¹πσ^*的绝热能量. 神经网络拟合绝热激发态S₁和S₂态的均方根误差分别为0.89和1.33 meV,表明神经网络方法具有很高的拟合精度. 在构建非绝热势能面的过程中,仅利用了体系绝热势能,避免了非常耗时的非绝热耦合计算,极大地提高了效率. 为了检测新的非绝热势能面的可靠性,本文进一步展开了苯硫酚光解非绝热动力学模拟. 动力学计算得到的S₁振电态0⁰和3¹的寿命与实验和之前的理论结果均吻合,验证了基于激发态运动方程耦合簇绝热能量构建的非绝热势能面的可靠精确性,并可进一步应用到实际大分子体系中.     

3-二甲氨基-2-甲基丙烯醛S2激发态结构动力学 (cited: 3)

采用共振拉曼光谱和完全活性自洽场理论计算研究了3-二甲氨基-2-甲基丙烯醛(DMAMP)光激发到S₂(ππ^*)态后的光物理性能．在B3LYP/6-311++G(d,p)水平计算确定了DMAMP与其三种异构体之间的基态异构化能垒,指认了振动光谱．采用涵盖紫外强吸收带的激光波长,获得了DMAMP在环己烷、乙腈和甲醇溶剂中的A-带共振拉曼光谱,含时密度泛函方法计算确定了该光谱中基频的相对强度,发现振动-电子耦合发生在S₂(ππ^*)态的Franck-Condon区域．CASSCF计算方法确定低单重和三重激发态、势能面锥形交叉点和系间窜跃点的激发能．共振拉曼光谱强度模式分析和CASSCF计算获得了DMAMP的A-带短时结构动力学和其后的衰变动力学表明,C1=O6和C2=C3之间的瞬时去共轭效应发生在S₂(ππ^*)态的Franck-Condon区域,激发态电荷重分布机制表明,C3和二甲氨基之间以及C1和C2之间的共轭增强效应发生在波包离开Franck-Condon区域后．C1=O6和C2=C3之间的去共轭效应使得-C3=N(CH₃)₂沿着C2-C3键旋转更加容易,C1-C2之间以及C3和N(CH₃)的共轭增强效应使得绕C1-C2和C3-N5旋转变得比较困难．这些表明DMAMP初始结构动力学沿着CI-1(S₂/S₀)交叉点展开,而沿CI-2(S₂/S₀)和CI-3(S₂/S₀)交叉点展开的几率可以忽略．提出了DMAMP分子受光激发从S_2,FC(ππ^*)经由各锥形交叉点和各系间窜跃点回到S₀或T_1,min的两个衰变通道.     

苯基叠氮在光吸收激发态上的结构动力学-共振拉曼和量子力学计算研究

采用共振拉曼光谱学和完全活化空间自洽场方法研究了苯基叠氮被激发到S₂(A')、S₃(A')和S₆(A')光吸收态后的结构动力学. 基于傅立叶变换拉曼、傅立叶变换红外、紫外、密度泛函计算和简正模式分析,指认了紫外吸收光谱和振动光谱. 获得了环己烷、乙腈和甲醇溶剂中273.9、252.7、245.9、228.7、223.1和208.8 nm等不同激发波长下的A、B和C带共振拉曼光谱,以探测Franck-Condon区域的结构动力学. CASSCF计算获得了单重电子激发态能量最低点和势能面交叉点的电子激发能和优化几何结构. 结果表明,苯基叠氮在S₂(A')、S₃(A')和S₆(A')态上的激发态结构动力学各不相同. 与Kasha规则相符,S₂S₁(1)和S₂S₁(2)势能面交叉点在S₂(A')激发态衰变动力学和N7=N8键解离中扮演着重要角色. 提出了两条主要衰减通道：S_2,min→S₀辐射通道和S_2,FC(ππ^*)→S₂(ππ^*)/S₁(nπ^*)→S₁(nπ^*)非辐射通道.     

对氯氟苯S0, S1和D0态的实验与理论研究

本文采用共振增强多光子电离和慢电子速度成像技术研究了对氯氟苯(p-ClFPh)在中性第一激发态和阳离子基态下的几何结构和振动频率. 给出了对氯氟苯S₀态的红外光谱和S₁←S₀跃迁的吸收光谱. 基于单色、双色共振增强双光子电离技术，得到了对氯氟苯的跃迁激发能是36302±4 cm^-1. 通过阈值电离测量，外推得到对氯氟苯的绝热电离能为72937±8 cm^-1. 此外，通过Franck-Condon模拟，确定了S₁和D₀态的主要振动模式，并分析了对氯氟苯分子S₀&S₁和S₁&D₀跃迁过程中的Duschinsky振动模式混合效应.     

1，8-二羟基-2-萘甲醛激发态双质子转移反应的MS-CASPT2//CASSCF研究

激发态双质子转移反应长期困扰着理论和实验科学家并成为了一个悬而未决的热点问题. 本文利用完全活化空间自洽场方法及其二阶微扰理论(MS-CASPT2//CASSCF)系统地研究了典型体系1,8-二羟基-2-萘甲醛(DHNA)的激发态双质子转移反应以及相关的激发态弛豫过程. 在MS-CASPT2//CASSCF水平下,本文优化了三个能量相近但结构不同的S₁态互变异构体,即S1-ENOL、S1-KETO-1和S1-KETO-2,以及两个关键的S₁/S₀锥形交叉点结构,即S1S0-KETO-1和S1S0-KETO-2. 其中,两个极小点S1-KETO-1和S1-KETO-2与实验上观测到的双荧光发射现象密切相关. 本文还利用MS-CASPT2//CASSCF方法计算了双质子转移反应的二维势能面以及从极小点到交叉点结构的线性内插路径;相应计算结果证实了DHNA体系具有分步的激发态双质子转移机制. 具体来说,从S1-ENOL到S1-KETO-1的第一个质子转移过程是无能垒的,而从S1-KETO-1到S1-KETO-2的第二个质子转移过程则需要克服一个大约6.0 kcal/mol的能垒. 此外,由于从S1-KETO-1 (S1-KETO-2)到S1S0-KETO-1 (S1S0-KETO-2)的线性内插路径显示DHNA体系需要翻越一个约为12.0 kcal/mol的能垒,因此DHNA体系将在S₁态上停留一段时间并发生双荧光发射现象. 当然,S₁/S₀锥形交叉点也会促使DHNA体系从S₁态内转换到S₀态,而这会一定程度上降低DHNA体系发射荧光的效率. 可以通过限制C5-C8-C9-O10二面角旋转来降低体系的内转换效率,进而提高DHNA体系的发光效率. 本工作不仅有助于理解激发态双质子转移机制,还有助于设计具有优异发光性能的新型分子材料.     

N,N-二甲基硫代乙酰胺S3(ππ*)态的衰变动力学 (cited: 1)

采用共振拉曼光谱和完全活化空间自洽场方法研究了N,N-二甲基硫代乙酰胺在被激发至S₃(ππ^*)态后的衰减动力学. 指认了紫外吸收光谱和振动光谱. 获得了乙腈、甲醇和水溶剂中不同激发波长下的A带共振拉曼光谱,以探测Franck-Condon区域的结构动力学. 开展了CASSCF计算以确定低能单重激发态和锥形交叉点的电子激发能和优化几何结构. 通过共振拉曼强度分析和CASSCF计算获得了结构参数、A带结构动力学和S₃(ππ^*)态衰减机制. 提出了主要衰减通道为_3,FC(ππ^*)→S₃(ππ^*)/S₁(nπ^*)→_1(nπ^*).     

N-乙基吡咯S1态超快动力学：飞秒时间分辨光电子成像研究

N-乙基吡咯是吡咯分子的一个乙基取代衍生物,它的激发态衰变动力学目前为止很少被研究. 本文利用飞秒时间分辨光电子成像的实验方法研究N-乙基吡咯分子S₁态的衰变动力学. 实验采用241.9和237.7 nm的泵浦激发波长. 在241.9 nm激发下,得到5.0±0.7 ps,66.4±15.6 ps和1.3±0.1 ns三个寿命常数. 在237.7 nm激发下,得到2.1±0.1 ps和13.1±1.2 ps两个寿命常数. 所有寿命常数都归属为S₁态的振动态. 本文并对不同S₁振动态的弛豫机理进行了讨论.     

采用非绝热动力学模拟探究溶剂效应对桨-轮形状的给体-受体复合物的激发态弛豫动力学的影响

充分理解给体-受体复合物的激发态动力学在实验和理论上都具有非常重要的意义. 本文首次结合电子结构计算和非绝热动力学模拟,探索了最近合成的一个桨-轮形状的给体-受体复合物的光致动力学过程,该复合物由三个氟硼二吡咯基团和一个六氧杂并三苯构成. 根据计算结果,得出结论,桨-轮形状的给体-受体复合物共轭物在激发时将被提升到氟硼二吡咯片段的局部激发状态,然后发生超快局部激发电子态到电荷转移电子态的激子转移. 与先前实验工作中提出的光致电子转移机理不同,这种激子转移过程伴随着从氟硼二吡咯基团到六氧杂并三苯基团上的空穴. 此外,还发现溶剂效应在该体系的光致动力学中起着重要作用. 具体而言,强极性的乙腈溶剂加速了空穴转移动力学,这可以归因于溶剂对电荷转移状态的显著影响,即局部激发和电荷转移激子之间的能隙大大减小,而与此同时非绝热耦合增加,这两个因素都可以促进空穴转移过程. 目前的工作不仅为桨-轮形状的给体-受体复合物的潜在光诱导机制提供了有价值的见解,而且有助于未来设计具有更好光电性能的新型给体-受体复合物.     

Comparative charge transfer studies in nonmetallated and metallated porphyrin fullerene dyads

Single material organic solar cells become an interesting area of research to overcome the challenges with efficient charge separation efficiencies in conventional organic solar cells. In this article, we have synthesized nonmetallated and metallated porphyrin‐fullerene dyad materials (H2P‐C60 and ZnP‐C60, respectively) with simple structure, comprehensively studied their charge transfer mechanism, and established a proof of concept that nonmetallated porphyrin‐fullerene dyads are better candidates to be used in organic solar cells compared with metallated dyads. Absorption and electrochemical analysis revealed the ground state electronic interactions between donor‐acceptor moieties in both types of dyads. Driving force (?ΔG^o_ET) for intramolecular electron transfer process was calculated by first oxidation and reduction potentials of dyads. The excited state electronic interactions were characterized by time‐resolved fluorescence and pump‐probe transient absorption experiments. Strong fluorescence quenching of porphyrin along with reduced lifetimes in dyads due to deactivation of singlet excited states by photoinduced charge transfer process between porphyrin/Zn‐porphyrin core and fullerene in different polarity solvents was observed. Transient absorption spectroscopy was also applied to identify the transient spectral features, ie, cationic (H2P⁺/ZnP⁺) and anionic (C₆₀^?) radicals formed because of the charge separation in both types of dyads. Finally, organic solar cell device was also fabricated using the dyads. We obtained higher V_oc, J_sc, and fill factor in single material organic solar cell using H2P‐C60 compared to previous reports.     

Fluorescence Properties of Phenol-Modified Zinc Phthalocyanine that Tuned by Photoinduced Intra-Molecular Electron Transfer and pH Values

Tetra[α-(4-hydroxyphenoxy)] zinc phthalocyanine, ZnPc(α-OPhOH)₄, was synthesized and its photophysics was found to be sharply pH dependent. Dual fluorescence emission around 700 nm was observed when it is dissolved in basic solution. The fluorescence of the phthalocyanine can be sharply switched off at pH 9.1 due to the intramolecular photoinduced electron transfer (PET) in ZnPc(α-OPhONa)₄, formed by the deprotonation of ZnPc(α-OPhOH)₄. The photophysics of both ZnPc(α-OPhOH)₄ and ZnPc(α-OPhONa)₄ were studied in detail by UV-vis absorption, steady state and time-resolved fluorescence and transient absorption (TA) to reveal the fluorescence quenching mechanism. Intra-molecular PET in ZnPc(α-OPhONa)₄ from the donor, PhONa subunits, to the acceptor, ZnPc moiety, was characterized by the much smaller fluorescence quantum yield (0.003) and lifetime (<0.20 ns). PET was further evidenced by the occurrence of charge separation state (CSS) in TA spectra, i.e. the bands due to anion radical of ZnPc and phenol radical. The lifetime of the charge separation state is ca. 3 ns, the efficiency of PET is ca. 99% and the rate constant of PET is 2.3 × 10¹⁰ s⁻¹.     

FA离子重定向引起的电荷局域显著抑制了FAPbI3钙钛矿电子-空穴复合：时域从头算研究

本文利用从头算非绝热分子动力学结合时域密度泛函理论模拟，计算表明部分FA(FA=HC[NH₂]₂⁺)阳离子的重定向造成电子和空穴局域在不同位置，减小了非绝热耦合并抑制了原子运动，从而显著抑制了FAPbI₃的非辐射电子-空穴复合. 虽然慢的核运动同时增加了退相干时间，但是减小的非绝热耦合是影响电荷复合的主导因素，将电子-空穴复合的时间尺度延长至数纳秒，比原始的FAPbI₃激发态寿命长约3.9倍，与实验结果相符. 研究厘清了实验报导的FAPbI₃激发态寿命增加的机理，为设计高性能的钙钛矿太阳能电池和光电器件提供了合理的策略.     

Mechanisms of inelastic scattering of low-energy protons by C6H6, C60, C6F12, and C60F48 molecules

The mechanisms of inelastic scattering of low-energy protons with a kinetic energy of 2–7 eV by C₆H₆, C₆F₁₂, C₆₀, and C₆₀F₄₈ molecules are studied using the methods of quantum chemistry and nonempirical molecular dynamics. It is shown that, for the C₆H₆ + proton and C₆₀ + proton systems, starting from a distance of 6 Å from the carbon skeleton, the electronic charge transfer from the aromatic molecule to H⁺ occurs with a probability close to unity and transforms the H⁺ ion into a hydrogen atom and the neutral C₆H₆ and C₆₀ molecules into cation radicals. The mechanism of interaction of low-energy protons with C₆F₁₂ and C₆₀F₄₈ molecules has a substantially different character and can be considered qualitatively as the interaction between a neutral molecule and a point charge. The Coulomb perturbation of the system arising from the interaction of the noncompensated proton charge with the Mulliken charges of fluorine atoms results in an inversion of the energies of the electronic states localized, on the one hand, on the positively charged hydrogen ion and, on the other hand, on the C₆F₁₂ and C₆₀F₄₈ molecules. As a result, the neutral molecule + proton state becomes the ground state. In turn, this inversion makes the electronic charge transfer energetically unfavorable. Quantum-chemical and molecular-dynamics calculations on different levels of theory showed that, for fluorine derivatives of some aromatic structures (C₆F₁₂, C₆₀F₄₈), the barriers to proton penetration through carbon hexagons are two to four times lower than for the corresponding parent systems (C₆H₆, C₆₀). This effect is explained by the absence of active π-electrons in the case of fluorinated molecules.     

反式-4-甲氧基偶氮苯超快激发态性质研究

本文利用飞秒瞬态吸收光谱结合量化计算研究了反式-4-甲氧基偶氮苯的超快激发态动力学和光异构过程. 瞬态光谱中在400∽480 nm波段出现永久的正吸收,表明反式分子被激发到第二激发态后最终产生了顺式结构. 在乙醇和乙二醇溶剂环境中分别获得了三个衰减组分,时间分别为0.11、1.4、2.9 ps和0.16、1.5、7.5 ps. 快速的时间组分是源自第二激发态弛豫到第一激发态的内转换过程. 另外两个组分和第一激发态的弛豫相关:一个是经第一激发态的内转化和光异构过程,另一个是顺式结构的振动冷却过程. 基于不同溶剂环境中的动力学差别,证实了光异构路径是反转机制而不是旋转机制.     

水分子F态超快动力学：时间分辨光电子能谱研究

本文利用双光子激发和时间分辨的光电子成像技术研究了水分子■态的超快动力学.这是首次对水分子■态进行时间分辨的实验研究.水(重水)分子■和■态的寿命分别为1.0±0.3(1.9±0.4)和10±3(30±10)皮秒.我们提出■态主要通过非绝热耦合内转换到■态,而■态通过科里奥利相互作用耦合到■态.     

Charge Transfer Photophysics of Tetra(α-amino) Zinc Phthalocyanine

The absorption, fluorescence, and transient absorption spectra of Tetra(α-amino) zinc phthalocyanine, ZnPc(α-NH₂)₄, have been measured in polar solvents and compared with that of ZnPc(α-R)₄ (R?=?H, NO₂, OCH(CH₃)₂). While the latter three showed the typical photophysics of phthalocyanines, ZnPc(α-NH₂)₄ exhibits distinct spectral properties, a very low fluorescence quantum yield and a relatively long fluorescence lifetime. These observations are explained by the substantial charge transfer characters in the absorption and fluorescence spectra of ZnPc(α-NH₂)₄. NMR indicates that intramolecular H-bonding makes atoms in NH₂ actually coplanar with other elements of ZnPc(α-NH₂)₄. The local excited state is non emissive and the weak emission is assigned to its charge transfer state. The transient absorption bands from laser flash photolysis located at 630 nm, 645 nm is assigned to the mono-charge transfer state, while that at 545 nm is assigned to the di-charge transfer state.