有机染料敏化太阳电池中激发态弛豫和电子注入的超快光谱研究

为了实现窄能隙有机光敏剂的理性设计,有必要全面理解发生在二氧化钛/染料/电解质复杂界面的激发态演化动力学。本文通过构建分别以苯并噻二唑-苯甲酸(BTBA)和吡啶并噻二唑-苯甲酸(PTBA)为电子受体的有机给受体染料,借助超快瞬态吸收光谱测量与理论模拟,我们发现在实际的二氧化钛/染料/电解质界面存在激发态多步弛豫与多态电子注入的过程。密度泛函理论及含时密度泛函理论计算表明,二氧化钛表面的光激发产生的"热"激发态染料分子会通过分子片段间的扭转运动发生显著的多步结构弛豫,最终形成共轭骨架具有醌式结构、更加平面化的平衡构型。通过对飞秒瞬态吸收光谱进行目标分析,我们发现相对于以苯并噻二唑-苯甲酸为电子受体的染料,以吡啶并噻二唑-苯甲酸为电子受体的染料呈现出较慢的电子注入速率与较短的激发态寿命,导致总的电子注入产率较低,给出了基于该染料所制备的太阳电池的外量子产率峰值低的原因。     

用超短脉冲激光研究1,3-二氯苯激发态动力学

利用啁啾脉冲放大技术建立了一套掺钛蓝宝石飞秒激光放大系统,该系统输出中心波长808nm,单脉冲能量8mJ,脉冲宽度60fs,脉冲重复频率20Hz.利用飞秒激光泵浦-探测及分子束技术,结合飞行时间质谱,对1,3-二氯苯分子的激发态动力学过程进行了研究,实验中观察到该分子能级间的量子拍频现象,并获得了第一单重激发态寿命及其拍频频率,阐述了飞秒激光场下间位二氯苯分子的电离解离机理.     

Ultrafast Excited State Dynamics of Biliverdin Dimethyl Ester Coordinate with Zinc Ions

As one of the biological endogenous pigments, biliverdin (BV) and its dimethyl ester (BVE) have extremely weak fluorescence in solution with quantum yield less than 0.01%. However, the situation reverses with the addition of zinc ions. The strength for fluorescence of BVE-Znbegin{document}$ ^{2+} $end{document} complex is greatly enhanced and fluorescence quantum yield can increase to begin{document}$ sim $end{document}5%. Herein, we studied ultrafast excited state dynamics of BVE-Znbegin{document}$ ^{2+} $end{document} complex in ethanol, begin{document}$ n $end{document}-propanol, and DMSO solutions in order to reveal the mechanism of fluorescence quantum yield enhancement. The results show that BVE can form a stable coordination complex with zinc with 1:1 stoichiometry in solution. BVE is structurally and energetically more stable in the complex. Using picosecond time-resolve fluorescence and femtosecond transient absorption spectroscopy, we show that smaller non-radiative rate constant of BVE-Znbegin{document}$ ^{2+} $end{document} complex in DMSO is the key to increasing its fluorescence quantum yield and the excited state decay mechanism is also revealed. These results provide valuable information about the fluorescence property change after BVE binding to metal ions and may provide a guidance for the study of phytochromes or other fluorescence proteins in which BV/BVE acts as chromophores.     

酞菁基态和激发态的计算

采用DFT方法在B3LYP/6-31G水平上得到了H2Pc(酞菁)的优化结构,并在此基础上采用TDDFT方法计算了激发态.通过与H2P(卟吩)、H2Pz(四氮卟吩)和H2TBP(四苯并卟啉)的比较,研究了苯并取代以及氮杂取代对H2Pc的分子轨道和激发态的影响,上述取代效应使得H2Pc的HOMO-1(132 b1u)和HOMO-3(130 b1u)轨道发生了翻转,氮杂取代的影响尤其明显.这两种取代都使得Q带振子强度增大,在这四种化合物中,H2Pc的振子强度最大.TDDFT计算结果与实验值符合得较好.     

6-N,N-二甲基腺嘌呤激发态结构动力学的共振拉曼光谱

采用共振拉曼光谱技术和密度泛函理论方法研究了6-N,N-二甲基腺嘌呤(DMA)的A带和B带电子激发和Franck-Condon 区域结构动力学. π_H→π_L^*跃迁是A带吸收的主体, 其振子强度约占整个A带吸收的79%.由弥散轨道参与的n→Ryd 和π_H→Ryd 跃迁在B带跃迁中扮演重要角色, 其振子强度约占B带吸收的62%,而在A带吸收中占主导的π_H→π_L^*跃迁的振子强度在B带吸收中仅占33%. 嘌呤环变形伸缩+C8H/N9H面内弯曲振动ν₂₃和五元环变形伸缩+C8H弯曲振动ν₁₃的基频、泛频和合频占据了A带共振拉曼光谱强度的绝大部分, 说明¹π_Hπ_L^*激发态结构动力学主要沿嘌呤环的变形伸缩振动, N9H/C8H/C2H弯曲振动等反应坐标展开, 而ν₁₀, ν₂₉, ν₂₁, ν₂₆和ν₄₀的基频、泛频和合频占据了B带共振拉曼光谱强度的主体部分, 它们决定了B带激发态的结构动力学. A带共振拉曼光谱中ν₂₆和ν₁₂被认为与1nπ*/1ππ*势能面锥型交叉有关. B带共振拉曼光谱中ν₂₁的激活与¹ππ^*/¹πσ_N9H^*势能面锥型交叉相关.     

Excited State Properties of Fucoxanthin Aggregates

The structure and excited state properties of the H- and J-aggregates of the marine carbonyl carotenoid, fucoxanthin(Fx), were studied by various spectroscopic methods, and compared with those of Fx monomers in polar organic solvents. The fluorescent analysis indicated tliat the higher vibronic states of S2 contribute more to populating the S1 state, from which fluorescent emission mainly originates. Resonance Raman and density functional theory calculations confirmed the ‘card-packed' and chead-to-taiF structures of the H- and J-aggregates of Fx, respectively. An fs time-resolved absorption study proved the coexistence of Si and intramolecular charge transfer relaxation pathways upon excitation to the S2 state for both tlie monomers and aggregates.     

N-甲基吡咯-2-甲醛激发态结构动力学及其溶剂效应的共振拉曼光谱和密度泛函理论研究

获取了覆盖N-甲基吡咯-2-甲醛(NMPCA)A-带和B-带电子吸收共7个激发波长的共振拉曼光谱,并结合含时密度泛函理论(TD-DFT)方法研究了的A-带和B-带电子激发和Franck-Condon区域结构动力学.TD-B3LYP/6-311++G(d,p)计算表明:A-带和B-带电子吸收的跃迁主体为π→π*.共振拉曼光谱可以指认为,11-13振动模式(A-带激发)或者7-11振动模式(B-带激发)的基频、倍频和组合频,其中C=O伸缩振动(ν7)、环的变形振动+N1-C6伸缩振动(ν17)、环的变形振动(ν21)和C6-N1-C2/C2-C3-C4不对称伸缩振动(ν14)占据了绝大部分.这表明NMPCA的Sπ激发态结构动力学主要沿C=O伸缩振动、环的变形振动和环上N1-C6伸缩振动等反应坐标展开.在同一溶剂的共振拉曼光谱中随激发波长由长变短,ν7与ν14的强度比呈现出由强变弱再变强的现象,这种变化规律被认为与Franck-Condon区域Sn/Sπ态混合或势能面交叉有关.溶剂对Sn/Sπ态混合或势能面交叉具有调控作用.     

9—羟基苯并萘酮的结构和激发态质子转移过程

用INDO系列方法对9-羟基苯并萘酮的结构和激发态质子转移过程进行了理论研究,求得基态和激发态反应的位能面、势垒和过渡态,对反应机理进行了探讨。     

Si2分子基态和低激发态的电子结构

本文用abinitioSOCI／MCSCF／／HF／DH＋d方法计算得到了Si2分子的基态和八个激发态的平衡几何构型、总能量、谐振动频率、零点能以及各个态的势能曲线．讨论了各态键长随电子组态的变化关系，指出了成健轨道中。电子数的增加，是引起键长及谐振动频率变化的重要因素·其中3Πg，5∑；3△u，3∑，未见有关文献报导由于硅藻合物的重要应用价值，人们已对其进行了一些实验和理论研究h，’」．以前的研究主要是讨论其成键性质．由于St。分子结构的特殊性，要想全面了解其成键性质，不仅要研究其基态的电子结构，而且还要研究其激发态的电…     

定量共振论与MO的关系——奇共轭烃的激发态

Quantified resonance theory (QRT) involving the use of weighting has been applied to ionization potential, electron affinity, energy of the lowest π→π~* transiton, charge density and bond order in excited state for odd π hydrocarbon radicals, anions and cations, the QRT results are in remarkable agreement with HMO, the heteroatom effects on these properties obtained by QRT are in full accord with PMO. Moreover QRT gives a simple rule for estimating whether odd nonalternant hydrocarbons containing a 5-or 7-membered ring have NBMO or not.     

Excited States of Conjugated Hydrocarbons Using the Molecular Mechanics - Valence Bond (MMVB) Method: Conical Intersections and Dynamics

We developed the molecular mechanics—valence bond (MMVB) method following an original suggestion of Jean-Paul Malrieu and coworkers. By coupling a parameterized Heisenberg Hamiltonian to a standard classical force field (MM2), reliable ground and excited state geometries of conjugated hydrocarbons can be rapidly optimized. The MMVB method was central to our development of algorithms for locating conical intersections and calculating their associated decay dynamics. Here, we briefly review the chemical applications of MMVB to date, and present two new studies using the photostability of pyracylene and the excited state decay dynamics of the photochromic dihydroazulene/vinylheptafulvene (DHA/VHF) reaction.     

黄芩素激发态分子内质予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能垒的过程.     

铜酞菁同质多晶现象的研究及其超细粒子的制备

采用路易斯酸配位法溶解了铜酞菁,并对路易斯酸溶解铜酞菁的机理进行了简单讨论,同时研究了溶解过程中不同溶剂对铜酞菁晶型的影响.最后,用路易斯酸溶解配位法和微射流纳米分散技术相结合的方法成功制备了铜酞菁超细粒子,并用激光粒度仪、原子力显微镜、紫外可见分光光度计对超细粒子的粒径和吸收光谱进行了表征.     

DNA环境中硒代胸腺嘧啶和腺嘌呤碱基对的激发态性质和光物理机理的理论研究

应用高精度的多态完全活化自洽场二级微扰理论方法,在量子力学/分子力学组合方法的理论框架QM(MS-CASPT2//CASSCF)/MM下,系统研究了DNA环境中2-硒和4-硒取代胸腺嘧啶和腺嘌呤碱基对(2SeT-A和4SeT-A)的最低5个电子态(S₀, S₁, S₂, T₂和T₁)的结构、性质和光物理过程. QM(MS-CASPT2//CASSCF)/MM计算揭示了DNA环境中2SeT-A和4SeT-A碱基对激发态性质和光物理过程差异性的来源,提出的机理将有助于理解DNA类似物的光物理过程,在光动力学治疗中具有潜在的应用.     

Evaluating First-Order Molecular Properties of Delocalized Ionic or Excited States in Molecular Aggregates by Renormalized Excitonic Method

In the past few years, the renormalized excitonic model (REM) approach was developed as an efficient low-scaling ab initio excited state method, which assumes the low-lying excited states of the whole system are a linear combination of various single monomer excitations and utilizes the effective Hamiltonian theory to derive their couplings. In this work, we further extend the REM calculations for the evaluations of first-order molecular properties (e.g. charge population and transition dipole moment) of delocalized ionic or excited states in molecular aggregates, through generalizing the effective Hamiltonian theory to effective operator representation. Results from the test calculations for four different kinds of one dimensional (1D) molecular aggregates (ammonia, formaldehyde, ethylene and pyrrole) indicate that our new scheme can efficiently describe not only the energies but also wavefunction properties of the low-lying delocalized electronic states in large systems.     

非手性的酞菁铜分子在Bi(111)表面上的手性特征

利用低温扫描隧道显微镜（LT-STM）研究了酞菁铜（CuPc）分子在Bi（111）表面上的吸附和手性自组装结构。由于较弱的分子-衬底相互作用,我们发现在液氮温度（78 K）下吸附在Bi（111）表面上的单个CuPc分子围绕着分子中心发生旋转,直到遇到其他分子形成团簇为止。随着分子覆盖度的增加,CuPc分子形成了自组装分子单层。高分辨STM图表明,非手性的CuPc分子出现了手性特征：两个相对的酞菁基团发生了弯曲。当覆盖度超过一个分子层,酞菁铜分子的吸附取向由“平躺”转变到“站立”姿态。我们认为,酞菁铜分子的手性起源是由两种因素共同导致的结果：一种是分子-衬底之间的非对称电荷转移,另一种是相邻分子间的非对称性的范德华力作用。     

6-甲基-4-羟基嘧啶单体及二聚体激发态质子转移异构化反应及光谱的理论研究

采用ab initio HF理论的组态相关CIS方法和连续溶剂模型PCM, 分别在6-311+G*和6-31G水平上研究了6-甲基-4-羟基嘧啶单体及二聚体激发态质子转移的异构化反应; 对其反应势能面的研究发现, 单体基态和激发态的异构化反应一起可以形成四能级的分子电子体系, 而二聚体的却不能, 由此解释了单体和二聚体的紫外吸收光谱和荧光发射光谱均对应于酮式构型的原因. 利用混合含时密度泛函TD/MPW1PW91理论方法在溶剂存在下计算了标题物质的紫外吸收光谱和荧光发射光谱.     

7—氮吲哚二体激发态双质子转移的量子化学研究

用AMl和INDO/CI方法研究了7-氮吲哚二体激发态双质子转移反应的位能面和机理,异构二体虽存在较强的分子内氢键,但基态时正常二体的能量仍比异构二体低,光照时正常二体可通过激发态质子转移变为异构二体,这是其荧光产生反常Stokes位移的原因。     

2-氨基苯并噻唑的结构及激发态质子转移动力学

通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、傅里叶变换拉曼（FT-Raman）和488 nm拉曼光谱,结合密度泛函理论（DFT）计算研究了2-氨基苯并噻唑（ABT）在晶态和溶剂中的二聚体结构,并解释了质子性溶剂中ABT二聚体与溶剂分子间的氢键作用.电子光谱实验揭示了ABT二聚体的光物理和光化学反应;紫外吸收和荧光发射光谱结果表明,溶剂、激发波长和pH值对ABT二聚件激发态衰变具有调控作用;含时密度泛函理论（TD-DFT）解释了ABT二聚体双荧光现象,提出了高激发态的质子转移机理.     

2-乙酰基-1-甲基吡咯激发态结构动力学及溶剂效应的共振拉曼光谱和密度泛函理论计算

获取了覆盖紫外光谱中A带和B带吸收的共7个不同激发波长的共振拉曼光谱, 并结合密度泛函理论方法研究了2-乙酰基-1-甲基吡咯(2-Ac-NMP)的A带和B带电子激发和Franck-Condon区域结构动力学. 在TD-B3LYP/6-311++G(d,p)计算水平上, A带和B带吸收的跃迁主体为π→π^* . A带和B带共振拉曼光谱分别指认为13个振动模式和8个振动模式的基频、泛频和组合频, 其中C＝O伸缩振动(ν₈)、C3-C4-C5不对称伸缩振动+C2-C6伸缩振动(ν₁₄)及环上CH面内摇摆(ν₁₈)对拉曼光谱强度贡献最大, 表明2-Ac-NMP的S_π激发态结构动力学主要沿反应坐标展开. 考察了溶剂对共振拉曼光谱强度模式的影响, 结果表明, 在同一溶剂中, 随激发波长由长变短, C＝O伸缩振动模(ν₈)的强度呈现出由强变弱再变强的现象. 这种变化规律与Franck-Condon区域S_n/S_π态混合或势能面交叉相关, 并受溶剂的有效调控.