有机自由基发光体

有机自由基由于存在未配对或弱成键电子,因而具有独特的基态开壳电子结构。这类开壳电子结构的分子体系可展示出特殊的物理性质,如近红外吸收、非线性光学响应、可逆电子氧化还原、磁学性质等,有望成为下一代光电磁信息功能材料。然而,绝大多数自由基在光激发态下以非辐射方式释放能量,从而表现为弱发光或不发光。近年来,以三芳基甲基自由基衍生物为代表的双线态自由基发光体逐渐引起研究者的关注,其红光发射的荧光量子产率可达到90%以上,且成功地应用于有机电致发光器件(OLED)。自由基发光体是在基态和激发态均具备自由基特征的新型分子体系,其分子结构设计与发光性质调控是该领域的关键难题。在已报道的仅有的少数发光自由基的基础上,人们更多地期待获得性能优异、可选择性调色的多种类发光自由基及其作为功能材料的潜在应用。本文总结了发光自由基的分子结构、物理性质和构效关系,以及激发态发光机制与自由基非辐射跃迁抑制机理等,讨论了目前的研究现状和未来的研究挑战。     

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.     

长链脂肪酸影响胆红素-人血清蛋白复合物的激发态分化

胆红素与人血清白蛋白结合后会发生光异构和光诱导环化反应,其中后一反应将最终形成一种名为光红素的产物,这些光诱导化学反应是临床上治疗新生儿黄疸的基本原理. 据前人研究报道,长链脂肪酸的加入有利于光红素的生成,但其背后的机理,特别是其激发态动力学尚不明确. 本文利用飞秒瞬态吸收和飞秒荧光转换技术,探究了棕榈酸对胆红素在血清蛋白中的光化学反应的影响. 研究表明,随着棕榈酸的加入,光激发后的胆红素更倾向于通过4 ps的衰减通道返回热基态,而不是通过固有的超快激发态衰减途径(小于1 ps). 这一效应促进了热基态的胆红素发生由Z-Z到E-Z构型的异构化,从而提高了光红素的产率. 这是首次利用飞秒时间分辨光谱技术对长链脂肪酸在光疗过程中的作用进行表征,其结果可为相关临床研究提供有利的信息.     

D-l-A分子修饰罗丹明底环及对其激发态的影响

通过乙基桥把供电子基团1,8-萘酰亚胺与罗丹明底环羧酸基相连,得到了两种以D-l-A(Donor-Acceptor-Line alkanes compounds)分子修饰罗丹明底环的化合物,并就合成中间体D-π-A(Donor-Acceptor-π-conjugated compounds)分子中哌嗪供电子基取代溴对1,8-萘酐母体基态和激发态的影响,以及对D-l-A分子修饰罗丹明底环对罗丹明母体D-π-A分子紫外可见吸收光谱和激发态的影响进行了研究。结果表明:用D-l-A分子修饰罗丹明底环时,D(Donor compound)的给电子能力越强,其吸收强度越大,其吸收紫外光而激发能力越强;在激发态下D-l-A体系发生了分子内能量传递,萘酰亚胺基团发生强烈的荧光猝灭,罗丹明底环接收能量激发罗丹明母体(D-π-A分子)发射特征荧光,D的给电子能力越强,其荧光强度越高。     

生色团连接的苯骈三氮唑衍生物的激发态分子内质子转移

用从头算和密度泛函理论研究了对硝基二苯乙烯作为生色团连接的2-(2-羟基-苯基)-苯骈三氮唑的衍生物2-羟基-5-[对硝基-二苯乙烯基-氧亚甲基]-苯基-(2H-苯骈三氮唑)(C1)和4′-硝基-3,4-二[2-羟基-(2H-苯骈三氮唑)-苄氧基]-二苯乙烯(C2)发生激发态分子内质子转移(ESIPT)的可能性.系统研究了C1和C2发生ESIPT的互变异构体的基态与激发态的性质变化,包括相关的键长、键角等结构参数,Mulliken电荷和偶极矩,前线轨道以及势能曲线.计算结果表明,对于C1来讲,酮式(keto)的基态(K)不存在稳定结构,因此发生基态分子内质子转移(GSIPT)可能性很小.酮式的激发态(K*)的氢键强度要远强于烯醇式(enol)的激发态(E*)的氢键强度.分子在光致激发后,质子供体所带负电荷减小而质子受体所带负电荷增加.在K*,HOMO→LUMO的电子跃迁导致电子密度从"酚环"向质子化杂环转移.E*→K*跃迁只需要克服较小的能垒(约41 kJ.mol-1).计算结果表明C1发生ESIPT的可能性很大.C2由于具有高能量,其具有基态的单质子转移特征的异构体EK(同时含烯醇E与酮K结构)、具有基态的双质子转移特征的异构体2K(含有双酮结构),以及具有双酮结构特征的激发态2K*均无法获得它们的稳定结构,因此,基态分子内单或双质子转移和激发态分子内双重质子转移发生的可能性极小.然而,由于双烯醇式的激发态(2E*)和EK的激发态(EK*)存在稳定结构,且2E*→EK*跃迁具有低能垒,因此C2有可能发生激发态分子内单重质子转移.本文进一步计算了两个分子的紫外-可见吸收光谱与荧光发射光谱,获得了具有较大斯托克位移的ESIPT的荧光发射峰.     

芴二聚体三重激发态能量转移的理论研究

利用电子结构计算和电子转移速率理论,研究了芴二聚体的三重激发态能量转移过程. 应用限制性密度泛函理论构造得到非绝热态后,计算了控制能量转移的两个重要参数{电子耦合强度和重组能. 电子耦合强度的波动利用电子动力学模拟计算. 通过对上述参数相关函数的计算,成功得到了体系哈密顿量的对角元和非对角元波动,并应用微扰理论和波包扩散方法得到了能量转移速率. 结果表明,静态和动态的波动都明显地增加了能量转移速率,但是动态波动导致的速度增加却小于静态波动.     

铷原子双共振激发态光抽运光谱及其在1.5μm半导体激光器稳频中的应用

本文介绍分别采用双共振光抽运(DROP)和光学双共振(OODR)光谱技术获得铷原子激发态5P_3/2-4D_3/2 (4D_5/2)之间的超精细跃迁光谱.与传统的OODR光谱相比,DROP光谱在信噪比、线宽等方面具有明显的优势.当1 529 nm光栅外腔半导体激光器的频率采用DROP光谱锁定于～87Rb原子的5P_3/2(F'=3) -4D_3/2(F"=3)超精细跃迁线时,300 s内典型的残余频率起伏为～0.65 MHz;明显优于采用OODR光谱锁频的结果(300 s内典型的残余频率起伏为～1.8 MHz).     

Study of the excitation properties of the Si3O2 cluster under an external electric field

The structure of the Si₃O_x (x=2, 3) cluster is investigated; we find that the geometry of Si₃O₂ is similar to that of Si₃O₃ except for the oxygen-deficient defect structure (Si-Si band) which exists only in the Si₃O₂ cluster. It is known that oxygen-deficient defects are used to explain visible luminescence (especially blue, purple and ultraviolet light) from silicon-based materials, which are directly bound up with the excited states of the molecules. Therefore the excitation properties of the two clusters are also studied. Our results show that the absorption spectrum of Si₃O₂ is concentrated in the visible light region. In contrast, the absorption spectrum of Si₃O₃ is mainly located in the ultraviolet light region. The calculations are perfectly consistent with experimental data and also support the theory of oxygen-deficient defects.     

外电场下TCNQ的激发与光谱性质研究

采用密度泛函B3PLY方法优化了不同外电场下TCNQ分子的基态稳定构型、电偶极矩和分子的总能量,并且分析了TCNQ分子的HOMO-2到LUMO+2轨道的能量变化。然后利用杂化CIS-DFT方法在同样的基组下计算了外电场下TCNQ分子的前9个激发态的激发能、波长和振子强度,结果表明在没有外电场的情况下,TCNQ分子只有一个激发态能够激发,从基态跃迁到第1激发态。在有外电场的作用下,总能量随外电场的增加而逐渐减少,偶极矩随外电场的增加而不断增加。其前线轨道的能量也随外电场的增加不断减少,轨道分布也受外电场很大的影响。另外,外电场对TCNQ分子的激发波长也产生了一定影响。     

石墨烯量子点的磁性及激发态性质

利用密度泛函理论在B3LYP/6-31G(d)基组水平上研究了具有zigzag边界的石墨烯量子点,结果表明不同大小的石墨烯量子点的基态都是具有磁性的自旋三重态.其磁性一方面来源于zigzag边界上占有凸出位置的碳原子,另一方面来源于带有孤对电子的碳原子.从整体上看,除6b结构外,其他结构的能隙随着苯环数量的增加逐渐减小,而附加电荷却使体系能隙明显减小.用含时密度泛函理论(TD-DFT)对能隙为3.83 eV的由六个苯环排列成的三角形结构进行了激发态的计算,发现第十七激发态强度最大,能量为3.93 eV,对 关键词： 石墨烯量子点 磁性 能隙 激发态