几种纳米分子及小分子体系的非线性光学性质的理论研究

论文摘要

在当今迅猛发展的信息时代里,光子材料对光信息处理、光通讯、光计算机的发展,具有重要的战略意义。非线性光学（NLO）材料及其特性的研究是其中的一个重要的领域。也是目前国际前沿课题之一。寻找和设计高性能的非线性光学材料是这一领域发展的重要基础。本文采用精确的从头算（ab initio）和密度泛函理论（DFT）等量子化学方法,对修饰的石墨烯纳米分子以及一些重要小分子体系的非线性光学性质进行了深入的理论研究。主要贡献如下：一、石墨烯纳米带（Graphene Nanoribbon, GNR）作为优秀的共轭桥被引入到推电子基团（Donor）一共轭桥（Conjugated Bridge）一拉电子基团（Acceptor） （D-B-A）模式中来设计高性能非线性光学材料。由于GNR共轭桥自身独特的平面双自由基结构,NH2-GNR-NO2分子展示出了极大的第一超极化率（β0）,其中,NH2-（7,3）ZGNRs-NO2分子的β0值高达2.5×106au（22000×10-30 esu）,这个值是β0实验纪录值（1470×1030 esu）的15倍。并且发现了二阶非线性光学性质（β0）与石墨烯纳米带尺度的依赖关系：在沿着推拉电子基团的方向上,β0值随着纳米带长度的增加而急剧增加。这里称其为共轭桥的长度效应；在面内垂直于推拉电子基团的方向上,p0值随着纳米带宽度的增加而陡然增加,这里称其为共轭桥的宽度效应。此宽度效应首次被报道。通过比较发现宽度效应优于长度效应。这将丰富以往对共轭有机非线性光学材料的设计与研究。二、以推电子基团-石墨烯纳米带共轭桥一拉电子基团模式为基础来设计更小尺度的非线性光学材料。1)在NH2-GNR-NO2体系中,改变GNR共轭桥的形状但不改变共轭桥的碳原子数。结果发现体系中苯环数越多,其p0值越大。重要的是共轭桥的形状对体系的二阶NLO性质起着关键性的作用。如三角形共轭桥体系（NH2-GNR-NO2）表现出了最好的二阶NLO性质,在CAM-B3LYP/6-31 G*水平下,其β0值高达1.7×105au。2)在纳米带边缘取代供电子基团如氨基（-NH2）,使体系形成一个面内推拉电子模式。同时在纳米带上方进行锂（Li）掺杂,形成一个面外推拉电子模式。双重推拉电子模式极大的加强了体系的二阶非线性光学性质。上述两种方法都是在不增加体系纳米尺寸的情况下而有效地增大了体系的二阶NLO性质。三、基于从头算方法,我们提出用外加电场这一物理方法来诱导弱相互作用体系（NH3-HCl和H20-HCl）发生质子转移从酸（HCl）到碱（NH3/H20）.研究表明当电场在沿着质子转移方向的场强达到或超过临界电场时,质子转移即可发生。在电场诱导质子发生转移时,体系的二阶非线性光学系数（β0）突然大幅增加。表明电荷转移对体系的二阶非线性光学性质有着重要影响。这项研究为我们日后利用电场来设计高性能非线性光学材料带来了启发。四、在UMP2（Full）/aug-cc-pVTZ水平上,我们研究了取代效应和协同效应对单电子卤键复合物（H3C…C1F）谱学性质和光学性质的影响。当拉电子基团（如F原子）取代甲基中的氢原子时,相互作用能、C1-F蓝移和第一超极化率（β0）全都降低。当推电子基团（如H3C-）取代甲基中的氢原子时,相互作用能、C1-F蓝移和第一超极化率（β0）全都增加。另外,在三体H3C…ClF…ClF体系中,协同效应加强了单电子卤键的强度也增加了第一超极率（β0）。NBO和AIM结果表明电荷转移在卤键强度、谱学及非线性光学性质上起着非常重要的作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 石墨烯的发展
• 1.2 石墨烯的性质
• 1.2.1 电子效应
• 1.2.2 非电子效应
• 1.3 石墨烯的应用
• 1.3.1 计算机芯片材料
• 1.3.2 良好的物理实验平台
• 1.3.3 高效率导体
• 1.3.4 高强度材料
• 1.4 非线性光学
• 1.5 非线性光学材料的发展
• 1.6 第一超极化率
• 1.7 本论文研究内容和意义
• 第2章 理论基础和计算方法
• 2.1 分子轨道理论
• 2.1.1 闭壳层分子的HFR方程
• 2.1.2 开壳层分子的HFR方程
• 2.2 电子相关问题
• 2.2.1 电子相关能
• 2.2.2 组态相互作用（Configuration interaction,CI）
• 2.2.3 微扰理论方法
• 2.2.4 密度泛函理论（DFT）简介
• 2.3 电子激发态理论
• 2.4 基组问题
• 2.4.1 基组的选择
• 2.4.2 基组重叠误差（BSSE）
• 2.5 非线性光学性质的计算
• 2.5.1 非线性光学
• 2.5.2 非线性光学性质理论计算方法
• 第3章 氨基—石墨烯纳米带—硝基纳米分子体系的非线性光学性质的理论研究
• 3.1 引言
• 3.2 计算方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 推-拉电子对与取代位置对非线性光学性质的影响
• 3.3.2 长度和宽度效应对第一超极化率的影响
• 3.3.3 双自由基和自旋密度分布
• 3.4 本章小节
• 第4章 小尺寸石墨烯纳米分子体系的非线性光学材料的理论设计
• 4.1 引言
• 4.2 计算方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 形状效应对非线性光学性质的影响
• 4.3.2 双重模式对非线性光学性质的影响
• 4.4 本章小节
• 第5章 电场诱导质子转移及非线性光学性质的理论研究
• 5.1 引言
• 5.2 计算方法
• 5.3 结果与讨论
• 3N-HCl和H₂O-HCl质子转移的描述'>5.3.1 H₃N-HCl和H₂O-HCl质子转移的描述
• 3N-HCl和H₂O-HCl质子转移机理'>5.3.2 H₃N-HCl和H₂O-HCl质子转移机理
• 5.3.3 势能面
• 5.3.4 额外电子与电场的等价性
• 3N-HCl和H₂O-HCl在电场中的光学性质'>5.3.5 H₃N-HCl和H₂O-HCl在电场中的光学性质
• 5.4 结论
• 第6章 取代效应和协同效应对单电子卤键复合物非线性光学性质的理论研究
• 6.1 引言
• 6.2 计算方法
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 取代效应
• 6.3.2 协同效应
• 6.3.3 取代效应和协同效应对光学性质的影响
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 作者简介
• 攻读博士学位期间发表及完成的论文
• 致谢