硅杂环戊二烯衍生物电子结构与光谱性质的理论研究

采用密度泛函理论(DFT)B3LYP/6-31G*方法, 对2,5位取代的硅杂环戊二烯(Silole)系列衍生物进行几何结构优化, 通过计算得到电离能、电子亲和势、空穴抽取能及电子抽取能等相关能量, 并使用TD-DFT方法研究其吸收光谱, 分析相关能量及光谱的变化规律. 采用单组态相互作用(CIS/6-31G*)方法优化得到它们的最低单重激发态(S1)结构, 在此基础上, 使用TD-DFT方法计算对应的发射光谱. 分析2,5位芳基取代硅杂环戊二烯衍生物(DADPS)激发态与基态的结构差异及原因, 研究前线分子轨道的分布情况, 并讨论发光特征及载流子传输性能. 研究结果表明, 激发态结构弛豫主要发生在Silole环和直接与2,5位芳基相连的部位; 前线轨道主要分布在Silole环和2,5位芳基上; 二吡咯取代物有望成为空穴传输材料, 二噻吩取代物和二呋喃取代物有望在发光器件中表现出较高的发光效率.     

N-杂环卡宾-吡啶基钌光敏染料的电子结构和光谱性质的理论研究

以N749染料为母体,保留三联吡啶配体(tcterpy)作为辅助配体,利用两齿的N-杂环卡宾-吡啶配体(NHC-py)替代2个硫氰酸(NCS)配体设计了一系列同时含有三齿配体和两齿配体的染料分子1~4.利用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)方法对染料分子1~4及母体分子N749的几何结构、电子结构和光谱性质进行了系统的理论研究.研究结果表明,该系列分子具有良好的光吸收性能,最低能吸收波长可达到800 nm,吸收跃迁为MLCT/LLCT混合跃迁.     

杂环戊二烯作为π-桥调控锌卟啉染料光电性能的理论研究

为了研究杂环戊二烯作为π?桥对锌卟啉染料光电性能的影响,在染料YD2?o?C8的基础上,通过引入含有不同杂原子的杂环戊二烯作为π?桥设计了6种新型锌卟啉染料。采用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD?DFT)方法对染料的前线分子轨道、吸收光谱和电子-空穴分离特性进行研究。结果表明,与染料YD2?o?C8相比,杂环戊二烯的引入可以提升卟啉染料的光电性能,且改变杂原子可以调控卟啉染料的光电性能。对杂环戊二烯性质与卟啉染料光电性能的相关性研究发现,杂环戊二烯的最低空轨道能级与卟啉染料光电性能之间具有较好的线性关系。杂环戊二烯的接受电子能力越强,相应卟啉染料的光电性能越好。硅杂环戊二烯由于具有最强的接受电子能力而使相应的卟啉染料具有最宽的光谱吸收范围以及最强的分子内电荷转移能力。     

饱和、不饱和(N-杂环化)低聚硅烷的结构和光谱性质

用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)对线型(饱和N-杂环化)和(苯并N-杂环化)低聚硅烷的电子结构和吸收光谱性质以及溶剂效应进行了比较研究.对各体系的基态电子结构在B3LYP/6-31G(d,p)水平上进行了全优化,讨论了电荷分布和前线分子轨道性质.在获得基态稳定构型的基础上,用B3LYP/6-311+G(d)方法计算了电子吸收光谱的性质,探讨了主链的线型增长和溶剂对电子吸收光谱的影响.结果表明,随着主链的增长,低聚硅烷的电子结构发生明显扭曲,在(苯并N-杂环化)聚硅烷中形成了邻近苯并N-杂环之间π-π堆积作用,有利于结构的稳定.两类低聚硅烷的吸收光谱都随着主链的增长而发生明显的红移,(苯并N-杂环化)聚硅烷最大吸收光谱红移幅度要比(饱和N-杂环化)聚硅烷大得多.溶剂效应使得光谱略向短波长移动,溶剂的极性改变对吸收波长的影响不明显.     

一类新型苯基吡唑铱(Ⅲ)配合物的电子结构及光谱性质

为了探索新型苯基吡唑铱(Ⅲ)配合物的电子结构与光谱性质之间的关系,采用密度泛函理论(DFT)优化了铱金属配合物(ppz)2Ir(BTZ)(1)和(ppz)2Ir(4-TfmBTZ)(2)的基态与激发态的几何结构.通过含时密度泛函理论(TD-DFT)方法计算了配合物的吸收和发射谱,指认了它们的跃迁性质.和Ir(ppz)3相比,通过引入新的辅助配体并对其修饰实现了发光颜色的调节.配合物1和2的最低能磷光发射可指认为3MLCT/3LLCT/3ILCT[π*(R-BTZ)→d(Ir)+π(ppz)+π(R-BTZ)]的电荷混合跃迁.此外,它们的磷光发射和吸收有相似的跃迁性质.MLCT主要发生在Ir(R-BTZ)片段而不是Ir(ppz)2片段.第二配体在此配合物的发光过程中起了主要作用.     

两种Zn(Ⅱ)配合物电子结构和光谱性质的理论研究

为了探究Zn(Ⅱ)配合物Zn(ATSM)(A)和Zn(BTSC)(DMSO)(B)的电子结构和光谱性质,采用M06方法优化了它们的基态几何构型,并利用计算得到的电子结构信息绘制了配合物在吸收过程中的电子云分布图.理论模拟出的吸收光谱数据与实验结果吻合较好.而且,在理论上检测到了实验上没有报道到的吸收峰.     

1, 1, 2, 3, 4, 5-六苯基硅杂环戊二烯X射线谱的理论研究

近年来苯基硅杂环戊二烯作为一类高效的有机发光二极管材料被广泛研究。本工作利用密度泛函理论结合芯态空穴近似研究了1, 1, 2, 3, 4, 5-六苯基硅杂环戊二烯分子中碳原子K壳层和硅原子L壳层的X射线光电子能谱和近边X射线吸收精细结构谱,与实验谱线符合较好。通过理论结果对实验测量的1, 1, 2, 3, 4, 5-六苯基硅杂环戊二烯分子的X射线谱进行了分析和标定。我们发现碳原子K壳层X射线光电子能谱在低能区283.8eV处的谱峰是由于与硅原子成键的两个电负性较强的碳原子导致的。碳原子K壳层近边X射线吸收精细结构谱中最强的吸收峰与苯分子的吸收峰类似。硅原子L壳层近边X射线吸收精细结构谱两个主要吸收峰分别来自于σ_Si-C^*和π_Si-Ph^*跃迁。     

分子旋转对分子器件电子输运性质的影响

利用基于非平衡格林函数和密度泛函理论相结合的第一性原理计算方法,研究了一种可旋转分子跨接在金电极上的电子输运性质。计算结果表明:分子中的转子与定子间的旋转角度可以有效调控分子器件的电子输运性质。当夹角从30°变化到150°,分子器件的导电性呈现出增强、减弱的震荡变化。此外,当夹角变化到90°,分子器件的电流电压曲线打破其他角度呈现的线性变化特性,其电流值在2.4 V以后随着电压的增大而减小,表现出强烈的负微分电阻效应。     

PdSi_n(n=1～15)团簇电子结构与光谱性质的理论研究

在卡里普索(CALYPSO)结构预测的基础上,采用密度泛函理论(DFT)B3LYP方法,优化得到PdSi_n(n=1~15)团簇的基态结构,对其电子性质、红外光谱和拉曼光谱进行了讨论.结果表明,PdSi_n(n=1~15)团簇的基态构型随n值的增大由平面结构向立体结构演化;当n≤4时,PdSi_n团簇的红外与拉曼活性在450~500 cm-1范围内表现较好,当n≥5时,PdSi_n团簇的红外与拉曼活性在50~500 cm~(-1)范围内表现较好.     

联吡啶Ir(Ⅲ)配合物电子结构及光谱性质的理论研究

采用密度泛函理论(DFT)对配合物Ir(ppy)2(N^N)+ [ppy=2-phenylpyrine, N^N=bpy= 2,2’-bipyridine(1); N^N=H2dcbpy=4.4’-dicarboxy-2,2’-bipyridine(2), N^N=Hcmbpy=4-carboxy-4’-methyl-2,2’-bipyridine(3)] 的基态和激发态几何构型进行优化, 通过TDDFT/B3LYP方法得到这些化合物在乙腈溶液中的吸收光谱和磷光发射光谱及其跃迁性质. 研究结果表明, 化合物1 (384 nm), 2(433 nm)和3 (413 nm) 最低的吸收谱被指认为MLCT/LLCT[dIr+π(ppy)→π*(N^N)]电荷跃迁. 化合物1(486 nm), 2(576 nm)和3 (567 nm)最低的磷光发射可以描述为[dIr+π(ppy)]→[π*(N^N)]跃迁. 这是由于联吡啶配体上吸电子基团的引入, 稳定了相应的空轨道, 导致了化合物2和3的吸收和发射光谱红移. 同时, 化合物非线性光学性质的计算结果表明, 三种化合物均具有较大的一阶超极化率(β), 联吡啶配体中吸电子基团的增加, 使得分子内电子转移增强, 导致一阶超极化率增大.     

[M(N)X2]-(M=Ru, Os; X=S2C6H4, mnt)的电子结构和光谱性质的理论研究

利用密度泛函理论(DFT)中的B3LYP方法优化了氮化钌和氮化锇配合物[M(N)X2]-[M=Ru, Os; X=S2C6H4, mnt(maleonitriledithiolate)]的基态几何结构, 得到的几何参数与实验结果吻合得很好. 采用TD-DFT方法, 得到了配合物在CH3CN溶液中的激发态电子结构和电子吸收光谱. 利用SCRF方法中的CPCM模型来模拟溶剂化效应. 研究结果表明, 配合物1~4在CH3CN溶液中的吸收跃迁性质相似, 低能吸收均被指认为LMCT和LLCT的混合跃迁, 高能吸收均被指认为ILCT/LLCT跃迁.     

杂硼原子簇XB6+ (X=C,Si, Ge,Sn, Pb)的稳定性和芳香性

利用从头算MP2方法和密度泛函理论B3LYP和B3PW91方法, 研究了杂硼原子簇XB₆⁺ (X=C, Si, Ge, Sn, Pb)的结构、稳定性及化学键合情况. 对C, Si, Ge, B使用6-311+G(d)基组, 对Sn和Pb使用LANL2DZ赝势基组. 研究结果表明, 具有C_s对称性的假平面XB₆⁺ (X=C, Si, Ge, Sn, Pb)结构是势能面上的全域极小点, 其稳定性要高于C_6v对称性的锥形结构和C₂对称性的假锥形结构. 在B3LYP水平上, 对这些异构体的势能面的极小点进行了自然键轨道(NBO)的分析; 对最稳定构型的最高占据分子轨道(HOMO)和最低空轨道(LUMO)能级差、分子轨道(MO)和核独立化学位移(NICS)进行了计算和讨论. 分析了杂原子和硼原子间、相邻硼原子间的键合情况, 讨论了最稳定构型的芳香性质.     

黄铜矿型半导体材料CuAlX2 (X=S,Se, Te)的电子结构和光学性质

采用基于赝势平面波基组的密度泛函理论方法,研究具有黄铜矿结构的CuAlX2(X=S,Se,Te)晶体的电子结构,并预测了它们的线性和非线性光学性质.结果表明:这些化合物具有相似的能带结构,带隙随X原子从S→Se→Te依次减小.三种晶体的静态介电常数、静态折射率和静态倍频系数d36的变化情况与带隙的变化相反,随着X原子自S→Se→Te改变依次递增,但静态双折射率依次递减.该系列化合物的倍频效应主要来源于价带顶附近的占据能带向以Al和X原子的p电子态为主要成分的空带之间的跃迁.在三种晶体中,CuAlTe2除静态双折射率偏小外,其它光学性能要优于CuAlS2和CuAlSe2.     

寡聚(亚硅基二炔基蒽)电子结构和光谱性质的密度泛函理论研究

Poly(silanylenediethynylanthracene) (PSDEA) exhibits a hole-transporting ability experi-mentally. In order to simulate the property of PSDEA, a series of silanylenediethynylan-thracene oligomers were designed. The structures of these oligomers were optimized by using density function theory at B3LYP/6-31G(d) level. The energy gaps of the oligomers decrease with the increase in the chain length. The energy gaps of the oligomers also de-crease in the presence of the electron-withdrawing group on the anthracene ring. The ¹³C chemical shifts and nucleus independent chemical shifts (NICS) at the anthracene ring center in the oligomers were calculated at B3LYP/6-31G level. The chemical shifts of the carbon atoms connected with the nitryl group changed upfield, compared with those of the carbon atoms without the nitryl group. The aromaticity at the anthracene ring center decreases in the presence of the electron-withdrawing group, whereas increases with the increase in the number of the silanylene units. The most sensitive location for calculating the NICS values is 0.1 nm above the anthracene plane.     

Au12M (M=Na,Mg, Al,Si, P,S, Cl)团簇的结构、稳定性和电子性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法系统地研究了Au12M(M=Na,Mg,Al,Si,P,S,Cl)团簇的结构、稳定性和电子性质.对团簇的平均结合能、镶嵌能、垂直离化势、最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占据分子轨道(LUMO)的能级差、电荷布居分析、自然键轨道(NBO)进行了计算和讨论.对于Au12M(M=Na,Mg,Al)团簇,它们形成了内含M原子的最稳定的笼状结构.然而对于Au12M(M=Si,P,S,Cl)团簇,它们却形成了以M元素为顶点的稳定锥形结构.在这些团簇中发现Au12S团簇相对是最稳定的,这是由于Au12S团簇形成了稳定的满壳层的电子结构.自然电荷布居分析表明:对于所有的Au12M(M=Na,Mg,Al,Si,P,S,Cl)团簇电荷总是从Au原子转向M原子.自然键轨道和HOMO分析表明Au12M团簇中发生了Au原子的s-d轨道和M原子的p轨道间的杂化现象.     

BaTiO3的电子结构和光学性质

采用第一性原理赝势平面波方法, 在局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)下分别计算了BaTiO3立方相和四方相的电子结构, 并在局域密度近似下计算了BaTiO3立方相的光学性质. 结果表明, BaTiO3立方相和四方相都为间接带隙, 方向分别为Γ-M和Γ-X, 大小分别为2.02和2.20 eV. 对BaTiO3和PbTiO3铁电相短键上电子布居数的对比分析, 给出了它们铁电性大小的差别. 且在30 eV的能量范围内研究了BaTiO3 的介电函数、吸收系数、折射系数、湮灭系数、反射系数和能量损失系数等光学性质,并基于电子能带结构对光学性质进行了解释. 计算结果与实验数据相符合.     

Effect of Pressure on Electronic Structures and Optical Properties of Rocksalt InN

The electronic structures and optical properties of rocksalt indium nitride (InN) under pres-sure were studied using the first-principles calculation by considering the exchange and cor-relation potentials with the generalized gradient approximation. The calculated lattice con-stant shows good agreement with the experimental value. It is interestingly found that the band gap energy E_g at the Γ or X point remarkably increases with increasing pressure, but E_g at the L point does not increase obviously. The pressure coefficient of E_g is calculated to be 44 meV/GPa at the Γ point. Moreover, the optical properties of rocksalt InN were calculated and discussed based on the calculated band structures and electronic density of states.     

ZnO氧缺陷的电子结构和光学性质

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法对ZnO_0.875的电子结构和光学性质进行了计算. 用第一性原理对含氧空位的ZnO晶体进行了结构优化处理, 计算了完整的和含氧空位的ZnO晶体的电子态密度. 结合精确计算的电子态密度分析了带间跃迁占主导地位的ZnO_0.875 材料的介电函数、吸收系数、折射系数、湮灭系数和反射系数, 并对光学性质和极化之间的联系做了详细讨论. 结果表明ZnO_0.875晶体是单轴晶体, 并且在低能区域存在因氧缺陷而造成的一些特性. 我们的研究结果为ZnO的发光特性提供新的视野, 同时为ZnO的光电子材料的设计和应用提供理论基础.     

Lindqvist型[M6-nMonO19]p-阴离子（M=W,Nb,Ta）电子性质的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论方法探讨了取代Mo原子对[W6-nMonO19]2-,[Nb6-nMonO19]p-和[Ta6-nMonO19]p-体系的M—Ot(M=W,Nb,Ta)键的活化作用.计算结果表明,随着取代Mo原子数的增多,[M6-nMonO19]2-(M=W,Nb,Ta)中M—Ot键的键能逐渐减小,因此Mo原子的引入使M—Ot键活化.在[W6-nMonO19]2-中,Mo—Ot键的键能小于W—Ot键的键能,因此,Mo—Ot键比W—Ot键易断裂,与实验结果一致.而在[Nb6-nMonO19]p-和[Ta6-nMonO19]p-体系中,Mo—Ot键的键能大于M—Ot(M=Nb,Ta)键的键能.Nb和Ta原子的端氧Ot的电荷大于Mo原子的端氧Ot的电荷,初步预测,当[Nb6-nMonO19]p-和[Ta6-nMonO19]p-与有机胺反应时,Nb—Ot和Ta—Ot键优先断裂,易与有机胺的氮原子成键.     

TbSin(n=2-13)团簇的结构、电子及磁学性质

利用相对论密度泛函理论在广义梯度近似下研究TbSi_n (n=2-13)团簇的结构、稳定性、电子和磁学性质. 对团簇的平均结合能、离解能、电荷转移、最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占据分子轨道(LUMO)的能级差、Mulliken 电荷分析和磁学性质进行了计算和讨论. TbSi_n团簇并没有像实验推测的那样在n=10形成嵌入式的结构. 我们推断电子亲和势的急剧变化不仅与嵌入式的结构有关, 而且与电子的固有稳定性相关.Mulliken 电荷分析表明电荷总是从Tb 原子转向Si 原子. 团簇的磁矩主要局域在Tb 原子的周围, 并且主要由f电子贡献, f 电子表现出局域性并且不参与化学成键. 以TbSi₁₀为例的分波态密度分析表明Tb与Si 原子间存在很强的sp轨道杂化.