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

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-C₆₀)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-C₆₀的最低激发态S₁态为光谱明态,即ZnPc的局域激发(LE)态,因此,6-6构型的ZnPc-C₆₀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-C₆₀的S₁态是C₆₀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C₆₀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C₆₀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C₆₀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C₆₀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ZnPc-C₆₀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.     

采用密度泛函理论研究二甲基胺-二苯甲酮的分子内电荷转移激发态氢键

利用(含时)密度泛函理论研究了二甲基胺-二苯甲酮(DMABP)及其氢键二聚物DMABP-MeOH的光物理性质和弛豫动力学过程. 结果表明,在非极性和非质子性溶剂中,DMABP分子的第一和第二激发态跃迁同时具有局域激发和分子内电荷转移的特征;在极性质子性溶剂中,分子间氢键C=O…H-O的形成增加了这两个最低激发态之间的能量差,使DMABP-MeOH的第一激发态具有较强极性的分子内电荷转移特性. 通过计算DMABP和DMABP-MeOH分子的激发态构型弛豫势能曲线研究了激发态动力学弛豫过程. 结果表明,通过扭     

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.     

使用超快拉曼光谱技术研究四极矩给体-受体-给体分子的激发态动力学

具有对称结构和四极矩性质的给体-受体-给体分子在激发态通常展现出从离域的电荷转移态向局域的电荷转移态转化的电荷重分布过程，该现象已被多种超快时间分辨光谱技术进行了大量研究. 飞秒受激拉曼光谱是一种常用的超快时间分辨光谱，该光谱可以通过检测分子内特定的振动模来研究分子激发态动力学. 本研究采用的4，4''-(1，3-丁二炔-1，4-二基)双(N，N-二(4-甲氧苯基)苯胺)含有位于中间位置的两个相邻炔基(电子受体)和对称分布在分子两侧的N，N-二(4-甲氧苯基)苯胺(电子给体). 研究发现，飞秒受激拉曼光谱能够实时观测该分子在溶剂中发生的激发态电荷重分布过程. 该结果将有助于深入研究具有相邻特征官能团的对称四极矩分子光致电荷局域/离域动力学.     

伴随着分子内电荷分离的分子内转动模型的时间分辨荧光光谱研究

本文采用时间分辨荧光光谱方法,考查了两种7-胺基香豆类素衍生物分子在不同溶剂中的荧光辐射弛豫过程,研究了环境因素对伴随着分子内电荷转移的分子内转动激发态(TICT)弛豫过程的影响。结果说明TICT态是非刚性香豆素分子激发态无辐射弛豫路径之一,这一过程受到环境介质的极性、粘度和温度的影响。并指出了在考虑粘度影响时,须对DSE理论进行修正,同时提出了TICT态存在位垒的观点。     

N，N-二甲基苯胺和苯醌间光诱导电荷转移

研究了N ,N 二甲基苯胺和苯醌间光诱导电荷转移的溶剂效应 .首先在B3LYP/ 6 31G 水平上对给体和受体进行构型优化 ,然后采用优化的给受体构型在Cs 对称性下计算得到两种相对稳定的复合物构象P和T .在CIS/ 6 31+G 水平上计算复合物气相激发态 ,结果发现 ,构象P的第三单重激发态发生分子间的完全电荷分离 ,构象T的第三激发单重态发生分子间的部分电荷分离 .在上述同样水平上计算复合物溶剂条件下的激发态性质 ,与气相结果相比表明 ,溶剂中两种构象的第三单重激发态均发生完全电荷分离 ,吸收光谱均发生较大红移 .     

2,3-二呋喃基马来酸酐光致分子开关机理研究

基于第一性原理计算了2, 3-二呋喃基马来酸酐(2, 3-difurylmaleic anhydride, DFMA)的光致变色开关机理.在获得DFMA分子开环(O-DFMA)和闭环(C-DFMA)稳定构型的基础上,应用微动弹性带(NEB)法找到了开环与闭环之间的最小能量路径(MEP)及过渡态构型(TS-DFMA),得出O-DFMA和C-DFMA的势垒分别是24959 cm~(–1)(3.0945 eV)和23328 cm~(–1)(2.8923 eV),预示着DFMA分子可能为热稳定双稳态分子.基于MEP曲线(基态S_0)对应的分子构型,计算了DFMA最低8个单重激发态的势能曲线,发现仅第1激发态(S_1态)在TS-DFMA构型时出现极小值.结合分子轨道跃迁及其图像, DFMA分子光致变色的机理为:1)闭环→开环:在S_1–S_0共振跃迁的波长激光作用下, C-DFMA分子从S_0跃迁至S_1态,然后分子沿S_1态势能曲线退激发,在TS-DFMA构型处发生从S_1态到S_0态的交叉跳变回到O-DFMA构型,完成由闭环→开环的开关动作.这一开关过程中S_1态势能曲线单调下降,预示着开环动作不会有荧光辐射发生; 2)开环→闭环:在S_1–S_0共振跃迁的波长激光作用下, O-DFMA分子从S_0跃迁至S_1态.从O-DFMA构型到TS-DFMA构型,S_1态势能曲线存在一段相对"平坦"的区域,仅在接近TS-DFMA构型时才明显单调下降.这意味着O-DFMA分子可能需要借助振动激发才能跨越S_1这段"平坦"区从而接近到TS-DFMA构型,然后顺着单调下降的S_1态势能曲线退激发,在TS-DFMA构型处发生从S_1态到S_0态的交叉跳变,完成由开环→闭环的开关动作.也正因为有起初S_1态势能曲线的平坦区,这一激发开关过程中同时伴有荧光辐射发生. DFMA分子的光致变色机理预示着其适合制作荧光分子开关.     

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 关键词： 飞秒时间分辨拉曼光谱 β-胡萝卜素 激发态内转换 振动弛豫     

凝聚态体系中激发态载流子动力学研究

激发态动力学是凝聚态物理中至关重要且富有挑战的科学问题,不仅需要从时间、空间、能量和动量等多个维度来描述,同时还需要考虑各种准粒子的相互作用以及多体效应.本文聚焦凝聚态体系激发态动力学的理论和应用研究,结合含时密度泛函、GW-BSE与面跳跃方法,发展了激发态动力学第一性原理计算软件Hefei-NAMD,构建了可以同时从时间、空间、动量、能量、自旋等多个维度研究凝聚态体系激发态动力学的理论和程序框架,并实现了自旋分辨的GW+real-time BSE(GW+rtBSE)激子动力学.利用这套方法,研究了凝聚态体系激发态动力学的许多问题,包括界面电荷转移动力学、电子空穴复合动力学以及二维TMD材料的谷激子动力学等.这些研究从第一性原理计算的角度,模拟激发态载流子在实空间、能量空间和动量空间的含时演化,为凝聚态体系的激发态动力学及准粒子耦合过程提供了深刻细致的理解.     

1,4-苯二硫醇的表面增强拉曼光谱和激发态的密度泛函理论研究

利用密度泛函理论(density functional theory,DFT)在B3LYP/6-311+g(d)(C,H,S)和Lanl2dz(Ag、Au)基组下对1,4-苯二硫醇分子及其复合物进行了结构优化和频率计算,得到了分子及其复合物稳定的化学构型和拉曼光谱。优化后的1,4-苯二硫醇分子的S—H键和苯环所在平面夹角为20.2°,分子非平面结构。模拟了金银团簇在苯硫醇分子表面的吸附行为,得到了金团簇和银团簇在分子表面的吸附方式,即,金团簇以接近平行的方向吸附于苯硫酚分子的表面而银团簇则以几乎垂直的方向吸附于分子表面。此外,还分析了静态极化率数值变化和自然键轨道(natural bond orbital,NBO)布局分析得到的电荷分布对拉曼光谱的强度变化的影响。复合物1,4-BDT-Au2,1,4-BDT-Ag2和三明治结构的Ag2-1,4-BDT-Au2拉曼光谱谱峰强度与静态极化率数值变化有很好的吻合。采用含时密度泛函理论(time dependent density functional theory,TDDFT)对Ag2-1,4-BDT-Au2复合物进行了激发态的分析计算,通过模拟吸收光谱和计算轨道跃迁单激发态,分析计算了三明治结构的电荷转移激发态,利用可视化的电荷转移,研究了表面增强拉曼(surface enhanced Raman scattering,SERS)化学增强机理。     

4′-(对-胺苯基)-2,2′:6′,2′′-三联吡啶光物理性质

用稳态吸收和荧光光谱技术研究4′-(对-胺苯基)取代的三联吡啶配体(APT)分子在不同极性溶剂中的光谱和光物理性质. 在极性溶剂中APT分子存在着双荧光现象,它分别对应于局域激发态和分子内电荷转移态. APT分子的胺基N原子与醇类溶剂之间的氢键作用使该分子在质子性与非质子性溶剂中具有不同的线性关系. 此外,APT分子的三联吡啶部分与锌离子络合以及三联吡啶N4—N8—N14与甲醇分子形成氢键后,在低能区域出现新的吸收光谱带与荧光光谱带,表明在基态和激发态均形成了新的络合物. 时间分辨单光子计数技术测量的APT分子的荧光衰减过程,证明了APT分子的分子内电荷转移机制符合〝两态〞模型.     

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.     

Theoretical Studies on the Structure and Spectrum of Imidazole-Chloranil Charge Transfer Complex

测定了咪唑-四氯苯醌电荷转移复合物在氯仿溶液中的紫外可见吸收光谱,运用Benesi-Hildebrand方程和Job连续变换法确定了咪唑-四氯苯醌电荷转移复合物的化学计量比为1:1. 采用密度泛函理论和多体微扰理论研究了咪唑-四氯苯醌电荷转移复合物的空间构型与结合能. 理论计算结果显示,咪唑-四氯苯醌电荷转移复合物共有四种可能的空间构型,分别为两种边(咪唑)-面(四氯苯醌)式结合构型(S1、S2)和两种边(咪唑)-边(四氯苯醌)式结合构型(S3、S4). 通过比较它们的结合能,发现边(咪唑)-面(四氯苯醌)式构型比边(咪唑)-边(四氯苯醌)式构型更稳定. 运用自然布居分析、电子密度拓扑分析与自然键轨道分析研究了四个构型的咪唑与四氯苯醌结合特征. 结果表明,边(咪唑)-面(四氯苯醌)式构型为电荷转移复合物,而边(咪唑)-边(四氯苯醌)式构型为分子间氢键复合物. 对于复合物最稳定构型S1,咪唑n(N15)孤电子对轨道和四氯苯醌∏* (C1=O7)反键轨道的电荷转移相互作用对咪唑-四氯苯醌复合物的稳定性起着决定性的作用,此外O7…H20氢键也起一定的作用. 采用含时密度泛函理论计算了复合物(S1)的电子激发能. 基于理论计算结果,分析了复合物的紫外-可见吸收光谱.     

反式-4-甲氧基偶氮苯超快激发态性质研究（英文）

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.     

2-甲基吡嗪分子激发态系间交叉过程的飞秒时间分辨光电子影像研究

飞秒时间分辨光电子影像技术和飞秒时间分辨质谱技术相结合,研究了2-甲基吡嗪分子电子激发态超快非绝热弛豫动力学.用323 nm光作为泵浦光,把2-甲基吡嗪分子激发到第一激发态S₁,用400 nm光探测激发态演化过程.通过时间分辨质谱技术测得S₁态的寿命为98 ps.实验中,实时观察到了单重态S₁向三重态T₁的系间交叉过程.通过分析发现,跟吡嗪分子S₁态的动力学过程不同,2-甲基吡嗪分子激发到S₁态后,不仅S₁→T₁系间交叉过程是S₁态主要衰减通道,S₁→S₀内转换过程也是S₁态另一个主要衰减通道.发挥飞秒时间分辨光电子影像技术的优点,实验上得到不同泵浦-探测时间延迟的光电子角分布,从角分布信息结合光电子能谱信息,尝试观察2-甲基吡嗪分子的非绝热无场准直,但由于2-甲基吡嗪分子对称性比吡嗪分子更低,对称性更低分子准直现象的观察更有...     

苯乙炔分子电子激发态超快动力学研究

采用飞秒时间分辨质谱技术结合飞秒时间分辨光电子影像技术研究了苯乙炔分子电子激发态超快非绝热弛豫动力学.用235 nm光作为泵浦光,将苯乙炔分子激发到第二激发态S2,用400 nm光探测激发态的演化过程.时间分辨的母体离子的变化曲线用指数和高斯函数卷积得到不同的两个组分,一个是超快衰减组分,时间常数为116 fs,一个是慢速组分,时间常数为106 ps.通过分析时间分辨的光电子影像得到光电子动能分布,结合时间分辨光电子能谱数据发现,时间常数为116 fs的快速组分反映了S2态向S1态的内转换过程.实验还表明S1态通过内转换被布局后向T1态的系间窜跃过程为重要的衰减通道.本工作为苯乙炔分子S2态非绝热弛豫动力学提供了较清晰的物理图像.     

吩噻嗪衍生物的分子内电荷转移激发态的特性

合成了一系列的N-10位取代的吩噻嗪给体受体化合物,这些受体包括苯、苯甲醚、吡啶、萘、苯乙酮和苯乙腈.研究了不同极性溶剂中这些化合物的分子内的光诱导电荷转移现象.稳态荧光的溶剂化效应和较大的Stokes位移清楚表明,仅仅后四种吩噻嗪衍生物的激发态存在着分子内的电荷转移,而苯和苯甲醚取代吩噻嗪因为受体部分氧化电势低,所以不具有这种特性.修正过的Lippert-Mataga公式被用来分析Stokes位移值,从而获得激发态偶极矩.较大的激发态偶极矩说明在激发态时这四种给体受体化合物体系内发生了完全的电子转移.氧化还原电势的数据表明基态时这四种衍生物给体受体部分的作用比较弱.分析荧光光谱获得的结果说明伴随着电荷转移这四种衍生物的激发态构型变化比较小,给体和受体间的扭转角在电荷转移后的激发态与在基态时相似.     

紫外光区S_2分子激光诱导荧光光谱

利用真空脉冲放电超声射流气体束(H_2S/Ar~3%混合气体)的方法产生了气相S_2分子,并研究了30 400~34 400cm~(-1)范围内S_2分子的时间分辨和基态振动频率分辨的激光诱导荧光光谱,获得了184支谱带的高分辨率(0.1cm~(-1))和低分辨率(0.3cm~(-1))转动光谱。实验观测并归属了S_2分子B_u~(Σ-)-X~3Σ_g~-和B″~3Π_u-X~3Σ_g~-共84支振动跃迁,分析得到了激发态B~3Σ_u~-态ν=0~9和B″~3Π_u态ν=2~12的分子常数以及B~3Σ_u~-态的基态平衡分子构型。由于S_2分子B~3Σ_u~-与B″~3Π_u态之间存在微扰,这两个电子激发态的振动能级间隔、自旋分裂常数和自旋-轨道分裂常数变化不规律,转动跃迁强度和跃迁选择定则存在异常,利用~3Σ-~3Π的齐次微扰哈密顿量定性地对这些异常光谱进行了解释,进一步丰富了S_2分子紫外区低能电子激发态的信息。     

苯胺分子S_1态振动光谱及ab initio计算(英文)

利用紫外激光,结合超声速脉冲分子技术和飞行时间质谱仪,在287～296 nm波长范围内实验研究了苯胺分子的共振双光子电离光谱(R2PI).实验中观测到对应S_1←S_0跃迁的0-0带出现在293.86nm(3.4029 cm~(-1))处,并测得对应S_1态的若干振动模和来自S_0态的热带.为了对S_1态的振动模进行标定,分别在HF/6-31+G(d,p)和CIS/6-31+G(d,p)基组水平上对苯胺在S_0态的构型进行优化和在S_1态对其振动频率进行分析计算.另外,利用自然键轨道分析(NBO)讨论了电子激发过程.结果显示,来自氨基氮原子上的一个电子从对应的孤对电子轨道激发到苯环的π反键轨道上,恰好对应的是S_1←S_0跃迁.     

瞬态荧光方法研究溶剂诱导的三苯胺衍生物的对称性破缺电荷转移动力学

在缺乏特征红外振动的情况下追踪具有四极或八极对称性分子的激发态对称性破缺电荷转移通常是很困难的.本文以一种具有八极对称性的三苯胺衍生物为研究对象,利用飞秒时间分辨瞬态荧光光谱方法获得发光跃迁偶极矩的演化动力学,进而实时表征了其溶剂诱导对称性破缺电荷转移的动力学过程.当该分子处于弱极性甲苯溶液中时,在激发态弛豫过程中其发射偶极矩变化较小;当处于较强极性的四氢呋喃溶液中时,其发射偶极矩在数皮秒内快速减小.在对比单体偶极分子的荧光动力学后,推断八极分子的发光态在强极性溶剂中经历溶剂诱导的结构变化,由激子耦合的八极对称性降低至激发定域的偶极对称性;而在较弱极性的溶剂中,其八极对称性在溶剂化稳定中得以较大程度的保持.