有机分子双光子特性的理论研究

【摘要】：近年来,双光子吸收截面大的分子材料在三维光信息存储、双光子荧光显微和成像、光学微加工、频率上转换激射、光限幅以及光生物学等方面显示出的良好应用前景,使得从理论和实验上寻找、合成具有大的双光子吸收截面的材料以及了解分子结构与性能的关系成为材料学、光电子学等领域研究的热点。 有机共轭分子由于具有结构多样性和易裁剪性以及易被极化的π电子而备受人们的关注。已有的研究结果表明,有机共轭分子双光子吸收截面的大小与分子共轭链的长度、共轭母体的平面性、π中心部分的特性、官能团的供吸电子的能力以及官能团的对称性、分子的维度等因素有关。按供吸电子的性质划分,官能团分为给体(D)和受体(A)两类。对称分子是指分子两端的官能团同为给(受)体,而不对称分子两端的官能团具有相反的供吸电子特性。本文是从理论方面研究了有机分子的结构对其光学特性的影响,总结了有机分子材料的一些结构-性质关系,为进一步合成具有强非线性光学性质的分子材料提供理论参考。 首先,我们利用少态模型和密度泛函理论计算了新近合成的三个具有有机杂环结构的苯并噻唑衍生物的非线性光学性质。这三个具有有机杂环结构的苯并噻唑衍生物是典型的A-π-A型结构。对于这三个有机杂环结构分子,我们利用杂化密度泛函理论(DFT)B3LYP优化分子的几何结构,利用含时密度泛函理论计算分子的跃迁偶极矩和激发态的能量,利用有限场方法计算分子的基态和激发态的偶极矩之差。然后利用上述结果,用少态模型计算分子的双光子吸收截面。最后在杂化密度泛函理论的水平上,计算了分子基态和CT态的电荷分布密度。所有计算都是GAUSSION98程序包上完成的,所采用的基矢组均为6-31G。分子由基态跃迁到电荷转移态的电荷转移过程用MOLEKEL程序来给出。计算结果表明,随着有机分子的π电子离域结构的增大,最大吸收峰红移。当共轭链较长时,共轭链的增长对增强分子双光子吸收截面的影响远大于吸电子基强度变化的影响。该类分子具有较好的双光子吸收特性。分子的最大单光子吸收态是电荷转移态,我们给出了三个分子由基态跃迁到电荷转移态的电荷转移过程。 另外我们又利用基于密度泛函理论水平下的响应场方法,计算了新近合成的两个