ZnqCl2及其衍生物的电子光谱性质的含时密度泛函理论研究

采用从头算法(abinitio)和密度泛函理论(DFTB3LYP)方法,对二氯取代的八羟基喹啉锌(ZnqCl2)及其2种衍生物的基态结构进行优化,同时用abinitioHF单激发组态相互作用(CIS)法在6-31G(d)基组上优化其最低激发单重态几何结构,用含时密度泛函理论(TD-DFT/B3LYP)及6-31G(d)基组计算吸收和发射光谱。计算表明,该类物质电子在基态与激发态间的跃迁,主要是在配体8-羟基喹啉(q)环内的电荷转移,电子从含O的苯酚环转移至含N的吡啶环上,发射光谱的计算值与实验值基本符合。该类化合物的电子亲和能较大,都是优良的电子传输材料,改变中心金属原子对配合物光谱性质影响不大。     

含时密度泛函理论及应用的最新发展

密度泛函理论在材料计算研究领域得到了广泛的应用,然而它无法处理含时问题和材料的激发态性质。Runge-Gross定理奠定了含时密度泛函理论的基础,为研究这两类问题提供了有效的手段。经过三十多年的发展,含时密度泛函已被应用到量子化学、材料计算等多个领域,人们也更加了解其优势和不足。目前,含时密度泛函理论和方法仍在迅速发展。本文简要回顾含时密度泛函方法的发展历史,介绍近年来含时密度泛函在理论和应用方面的一些重要进展,总结当前在含时密度泛函领域存在的重要难题以及面临的挑战,展望其发展方向和趋势。     

2-氨基吡啶气相氟化取代反应的密度泛函理论研究

采用量子化学方法,运用密度泛函理论(DFT)B3LYP方法,在6-311G*基组水平上,以2-氨基吡啶为起始反应物,全优化计算了亚硝酰阳离子NO+对2-氨基吡啶中氨基进攻的重氮化反应及氟硼酸根阴离子BF4-对吡啶重氮正离子进攻的席曼反应的机理,搜索到整个反应过程中的过渡态结构,得到了反应路径并通过IRC验证,并对各反应中间体、过渡态和产物进行分子几何构型优化、振动频率分析和标准热力学函数计算．通过计算,搜索到的过渡态均为环状结构,与配位插入反应类似,利于原子间化学键的断裂及新键的形成;通过热力学及动力学计算,重氮化-席曼反应是剧烈的放热反应,与实验结果相吻合．     

染料敏化太阳能电池光敏剂卟啉儿茶酚的密度泛函和含时密度泛函研究

用密度泛函理论的杂化密度泛函B3LYP方法研究了太阳能电池光敏荆5,10,15.三苯基-20-(3,4-二羟基苯)卟啉(卟啉儿荼酚,TPP-cat)的几何结构、电子结构、IR和Raman特性.用自然键轨道方法分析了电荷布居和成键性质.计算结果表明,最强的IR吸收峰位于1175.81 cm-1处,最强的Raman活性位于1587.18 cm-1处.采用含时密度泛函计算了TPP-cat在水溶液中的电子吸收谱,其Soret带和Q带均指认为π→π*跃迁,在大约354 cm-1处的跃迁与一个光诱导分子内电荷转移过程有关.     

质子与羟基碰撞的含时密度泛函理论研究

采用将含时密度泛函理论和分子动力学非绝热耦合的方法,研究了不同入射速度下质子与羟基碰撞的反应动力学.计算了碰撞前后质子动能和羟基动能的变化及羟基电子和质子的运动.计算结果表明,质子沿垂直羟基分子轴方向入射时,质子与羟基碰撞后,质子被反弹且动能损失并俘获了羟基中氧的一部分电子,而丢失部分电子的羟基则获得动能以伸缩振动的形式向计算边界平动.随着入射质子的初动能增加,质子从羟基中俘获的电子增多,碰撞后羟基的键长变长,羟基振动变强而伸缩振动频率降低.此外,还发现质子的入射方向对碰撞过程的激发动力学有很大的影响.质子从不同的方向入射时,质子的入射初动能越大,其损失的动能越多且损失的动能与入射初动能呈线性关系,而入射方向对质子动能损失的影响很小.在质子入射初动能较低(小于25 eV)的情况下,羟基获得的动能与质子入射初动能呈线性关系且与入射方向无关;在质子入射初动能较高(大于25 eV)时,当质子沿羟基分子轴方向入射时,羟基动能的增量远大于质子沿垂直于羟基分子轴方向入射时羟基动能的增量.     

分子对飞秒激光场响应的含时密度泛函理论研究

采用含时密度泛函理论方法研究线性分子碳化锂（Li2C2）对飞秒激光场响应的电子-离子动力学行为。在典型的近共振和非共振的激光频率作用下,分别对比分析了分子的共振和非共振电离过程。研究发现：分子在共振频率激光场的作用下发生更强的电离过程,并倾向于发生库伦爆炸,键长的振荡断裂与电离相互促进影响,而分子在较弱的激光场作用下发生单光子电离过程;随着双脉冲时间间隔的增加,离化电子数在一定范围内呈振荡上升趋势,随后趋于常数。     

分子对飞秒激光场响应的含时密度泛函理论研究

采用含时密度泛函理论方法研究线性分子碳化锂(Li2C2)对飞秒激光场响应的电子-离子动力学行为.在典型的近共振和非共振的激光频率作用下,分别对比分析了分子的共振和非共振电离过程.研究发现:分子在共振频率激光场的作用下发生更强的电离过程,并倾向于发生库伦爆炸,键长的振荡断裂与电离相互促进影响,而分子在较弱的激光场作用下发生单光子电离过程;随着双脉冲时间间隔的增加,离化电子数在一定范围内呈振荡上升趋势,随后趋于常数.     

三碘甲状腺素团簇结构与光谱性质的密度泛函理论研究

我们利用密度泛函理论(DFT),在B3LYP/Lan12mb基组水平上,得到了三碘甲状腺素团簇的几何和电子结构.在此基础上,利用含时密度泛函理论(TDDFT),使用相同的基组和采用极化连续介质模型(PCM),对其溶剂效应下的吸收光谱进行研究．研究结果表明,优化所得三碘甲状腺素团簇的对称性为C₁;在基态稳定结构基础上,研究了该分子的红外和拉曼分子振动谱特性,同时研究了其输运性质,即三碘甲状腺素团簇为p型输运材料;通过含时密度泛函理论,在优化好的基态结构基础上,又计算了它的溶剂效应,进一步得出该分子在水溶剂中的吸收光谱特性.     

质子化corroles的结构和电子光谱的密度泛函理论研究

用电子密度泛函理论研究了N-质子化corrole(H₄Cor⁺)和meso位芳基取代质子化corroles(H₄TPC⁺、H₄TpFPC⁺和H₄TdCPC⁺)的几何构型、内消旋反应机理以及电子光谱. 结果表明,这些化合物均有两种稳定构型(势能面极小),一个为C₂对称性的S1(最稳定构型),另一为C₁对称性的S2,其中S1的能量比S2低约15.8～18.5 kJ/mol.S1和S2的corrole环都呈现明显的面外扭曲变形. 手性S1的两个对映异构体之间的转化是一个以S2为中间态的多步过程. 用TDDFT计算了它们的紫外可见电子吸收光谱和圆二色谱(ECD). 与H₄Cor⁺相比,H₄TPC⁺、H₄TpFPC⁺和H₄TdCPC⁺的紫外可见吸收都发生了明显红移,且它们的Q带都因芳基取代基与corrole环之间的π-π共轭而明显增强. 计算表明,质子化corrole的若干相邻电子跃迁的旋转强度符号相反,表明ECD谱可能是研究其电子跃迁的有用工具.     

桥基取代2,7’-(乙烯基)-二-8-羟基喹啉类化合物的密度泛函理论研究

在B3LYP/6-31G(d)水平上对2,7′-(乙烯基)-二-8-羟基喹啉(2,7′-Ethq_2)及其6种桥基取代物的几何结构进行了全优化,探讨了取代基对分子的结构、电荷转移、前线分子轨道能级、能隙等方面的影响.采用含时的密度泛函理论(TD-DFT)研究各分子的气相及液相中的电子光谱,分析光谱的变化规律.结果表明,取代基的电子效应和立体效应对取代物的电子结构和电子光谱有重要影响,取代基重新调整了2,7′-Ethq_2的原子电荷布居,改变了前线分子轨道能隙,导致吸收光谱发生变化.氨基和氰基对2,7′-Ethq_2影响较为显著,吸收波长红移较大.此外溶剂的极性对其电子光谱也有影响,随溶剂极性的增大,硝基取代物的最大吸收波长发生明显的红移,其它取代物的最大吸收波长均发生较小的蓝移.     

DFT and TD-DFT study on structure and properties of organic dye sensitizer TA-St-CA

The geometry, electronic structure, polarizability and hyperpolarizability of organic dye sensitizer TA-St-CA, which contains a π-conjugated oligo-phenylenevinylene unit with an electron donor–acceptor moiety, was studied using density functional theory (DFT), and the electronic absorption spectrum was investigated via time-dependent DFT (TD-DFT) with several hybrid functionals. The calculated geometry indicates that the strong conjugated effects are formed in the dye. The TD-DFT results show that the hybrid functional PBE1PBE and MPW1PW91 are more suitable than B3LYP for calculating electronic absorption spectra. The features of electronic absorption spectra were assigned on account of the qualitative agreement between the experiment and the calculations. The absorption bands in visible and near-UV region are related to photoinduced electron transfer processes, and the diphenylaniline group is major chromophore that contributed to the sensitization, and the interfacial electron transfer are electron injection processes from the excited dyes to the semiconductor conduction band. Compared with the similar dye D5, the good performance of TA-St-CA in dye-sensitized solar cells may be resulted from the higher energy level of the lowest unoccupied molecular orbital and the larger oscillator strengths for the most excited states with intramolecular electron transfer character.     

Sc修饰Si@Al_(12)团簇吸附CO的第一性原理研究

本文采用密度泛函理论的广义梯度近似,研究了Sc原子修饰的Si@Al_(12)团簇与CO分子之间的相互作用.结果显示:Sc原子倾向于以穴位的形式吸附于Si@Al_(12)团簇表面;Sc周围最多可以吸附7个完整CO分子,CO的平均吸附能处于0.990~1.602 eV之间;Sc Si@Al_(12)·7CO团簇中CO质量分数可达33.07%,有望作为CO气体过滤材料.     

2-吡啶甲醇红外光谱的密度泛函理论研究

利用密度泛函理论(density functional theory,DFT) 在B3LYP/6-311G(d,p)水平上对2-吡啶甲醇分子进行了结构优化和频率计算,得到了该分子的稳定构型和全部振动模式。通过与吡啶分子的结构参数以及相关文献数据的对比,发现理论值与实验值相吻合。理论计算和实验测得的红外光谱数据的比较分析表明,理论计算与实验测量结果符合得较好, 并对2-吡啶甲醇分子的振动模式进行了归属。     

Geometry, Electronic Structure, and Related Properties of Dye Sensitizer:3,4-bis[1-(carboxymethyl)-3-indolyl]-1H-pyrrole-2,5-dione

运用密度泛函理论中的杂化泛函B3LYP研究了太阳能电池染料敏化剂3,4-二-[1-(羧甲基)-3-吲哚]-1H-吡咯-2,5-二酮(BIMCOOH)的几何结构、电子结构、极化率和超极化率,并用半经验量子化学方法ZINDO-l和含时密度泛函理论(TDDFT)研究了电子吸收谱．自然键轨道方法的研究结果表明,布居于二酮、吲哚和乙酸基团的自然电荷分别为-0.15e、-0.29e、0.44e．计算的各向同性极化率、极化率各向异性不变量和平均超极化率分别是305.4、188.3、1155.4 a.u.．基于TDDFT的计算结果和实验结果的定性符合指认了在可见和近紫外区的吸收属于∏→∏*跃迁,并且TDDFT的计算结果显示,第9～11个激发态的跃迁与光诱导分子内电荷转移过程有关．对电子结构和紫外-可见吸收谱的分析表明,吲哚基团对光电转换过程的敏化起主要作用,发生于染料敏化剂BIMCOOH和TiO2电极界面之间的电荷转移是由染料分子激发态向半导体导带的电子注入过程．     

四种耐热含能化合物电子结构的第一性原理研究

本文模拟计算了2,2’,4,4’,6,6’-六硝基联苯(HNBP)、2,2’,4,4’,6,6’-六硝基二苯乙烯(HNS)、2,5-二苦基-1,3,4-噁二唑(DPO)和5,5''-双(2,4,6-三硝基苯基)-2,2''-双(1,3,4-噁二唑)(TKX-55)四种耐热含能化合物的分子结构、Mulliken电荷布居、分子静电势(MEP)和Hirshfeld表面, 通过研究其分子特性、电子特性以及分子间相互作用, 以了解高耐热性含能化合物的耐热机理. 结果表明, 桥连接结构的复杂性以及分子间强氢键相互作用会增强含能化合物的稳定性. 此外, 本研究还发现中间基团的加入会对四种含能化合物分子两侧芳香环上碳原子的电荷分布以及分子表面正负静电势区域面积产生一定的影响.     

Density functional study of small cobalt-platinum nanoalloy clusters

The structural, energetic, electronic and magnetic properties of small bimetallic Co_nPt_m (n+m≤5) nanoalloy clusters are investigated by density functional theory within the generalized gradient approximation. A plausible candidate for the ground state isomer and the other possible local minima, binding energies, relative stabilities, magnetic moments, the highest occupied and the lowest unoccupied molecular orbital energy gaps have been calculated. It is found as a general trend that average binding energies of Co-Pt bimetallic clusters increase with Pt doping. Planar structures of pure Co clusters become 3D with the addition of Pt atoms. CoPt₂, Co₂Pt₂, Co₃Pt₂, and CoPt₄ nanoalloys are identified as the most stable species since they have higher second finite difference in energy than the others. Pt doping decreases the total spin magnetic moment gradually. A rule for the prediction of the total spin moments of small Co-Pt bimetallic clusters is derived.     

DFT研究给/吸电子取代基对D-π-A型苯并噻唑衍生物光电性质及非线性光学性质的影响

采用密度泛函理论(DFT)B3LYP方法计算了苯并噻唑及其三种D-π-A型衍生物的电子结构、电子光谱及重组能,同时结合有限场(FF)方法计算了它们的二阶非线性光学系数βtol值,从而探索取代基与分子的电荷分布、电子光谱及非线性光学性质的关系.计算结果显示,在母体分子的2,5位同时引入给/吸电子基团,2位碳原子的电荷布居发生较大变化,且分子的HOMO能级升高,LUMO能级降低,能隙减小,吸收和发射光谱发生显著的红移,增大了二阶非线性光学系数βtol.随着取代基吸电子能力的增强,分子的电子重组能逐渐变大,而空穴重组能的变化却不大,同时分子的偶极矩有所增加,有利于产生二阶非线性光学活性.     

DFT研究给/吸电子取代基对D-π-A型苯并噻唑衍生物光电性质及非线性光学性质的影响

采用密度泛函理论(DFT) B3LYP方法计算了苯并噻唑及其三种D-π-A型衍生物的电子结构、电子光谱及重组能,同时结合有限场(FF)方法计算了它们的二阶非线性光学系数βtol值,从而探索取代基与分子的电荷分布、电子光谱及非线性光学性质的关系。计算结果显示,在母体分子的2,5位同时引入给/吸电子基团,2位碳原子的电荷布居发生较大变化,且分子的HOMO能级升高,LUMO能级降低,能隙减小,吸收和发射光谱发生显著的红移,增大了二阶非线性光学系数βtol。随着取代基吸电子能力的增强,分子的电子重组能逐渐变大,而空穴重组能的变化却不大,同时分子的偶极矩有所增加,有利于产生二阶非线性光学活性。     

二维红外光谱法对肉豆蔻酸相变过程的研究

脂肪酸由于成本低、相变潜热大、热稳定性好的特点,在有机固-液相变材料中应用较多。对脂肪酸进行热分析一般采用热重法（TG）或差示扫描量热法（DSC）得到材料宏观上的热力学性质,但难以对其微观结构变化进行深入探讨。二维红外光谱（2D-IR）在温度扰动的作用下,样品的光谱信号将随之发生动态变化。通过数学处理能够发现样品在相变过程中微观结构的变化。以肉豆蔻酸为例,采用傅里叶红外光谱仪,在4 000～400 cm-1和30～100 ℃温度范围内对肉豆蔻酸进行一系列红外光谱实验。采用二维移动窗口（MW2D）红外光谱技术,对肉豆蔻酸中的CO和O—H键进行分析,发现MW2D测出的肉豆蔻酸熔点与传统的DSC测出的基本一致,且两种化学键显示的热数据具有良好的一致性和稳定性。对光谱数据进行2D-IR分析,结果表明,由于分辨率的提高,一维光谱中单一的重叠吸收峰对应着二维光谱中的多个吸收峰,根据2D-IR的理论知识,推测可能存在二聚体肉豆蔻酸构型向单聚体肉豆蔻酸构型转变的情况。从峰强度和温度的变化关系中发现,升温时CO键和O—H键存在三个变化过程,达到相变温度之前,CO吸收峰强度基本不变,O—H吸收峰强度逐渐下降,说明O—H键偶极矩的变化比CO键更易受温度影响;相变过程中,两者吸收峰强度都显著减弱且O—H吸收峰强度下降幅度更大;达到相变温度之后,可能因O—H形成的分子间氢键,受热导致由强变弱,O—H上的电子云移向CO,导致CO吸收峰强度增大、O—H吸收峰强度减小。同时,结合密度泛函理论,对二维红外光谱的推论进行理论验证,可知存在二聚体肉豆蔻酸向单聚体肉豆蔻酸的转化过程。     

DFT study of structural,electronic and elastic properties of two polymorphs of monoclinic CsGaQ2 (Q = S,Se)

In this paper, we report an ab-initio calculations of the structural, electronic and elastic properties of monoclinic CsGaQ₂ (Q?=?S, Se) crystals in two polymorphs CsGaQ₂-mC64 and CsGaQ₂-mC16 (Q?=?S, Se). The investigation is done using the pseudo-potential plane-wave (PP-PW) method combined to the generalized gradient approximation (GGA) within the density functional theory (DFT). The calculated equilibrium lattice constants (a, b and c), angle β are in good agreement with the available experimental data. We have calculated and analyzed the energy gap, band structure and density of states. The electronic structure calculation demonstrates that crystals are direct-gap semiconductors. The single-crystal elastic constants C_ij of CsGaQ₂-mC16 are predicted, for the first time, using the stress–strain method. The polycrystalline bulk modulus B, shear modulus G, Young's modulus E, Poisson's ratio?ν, and elastic anisotropy A^U are determined based on the predicted C_ij. Our results indicate that CsGaQ₂ (Q?=?S, Se) can be classified as brittle materials.