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Rubrene和开孔富勒烯衍生物等新型共轭分子的NLO性质理论研究

赵亮  
【摘要】: 随着现代光通讯、光计算和光信号处理等领域的高速发展,越来越需要一些具有大的非线性光学系数的材料作为光子器件的基础。有机π电子共轭体系具有较大的非线性光学系数、响应速度快、成本低、容易加工、结构可调性好、高的损伤阈值,因此受到了人们广泛的关注。本论文利用密度泛函和半经验AM1、ZINDO等量子化学方法对系列rubrene和开孔富勒烯等新型π共轭体系的结构和非线性光学性质进行详细的理论讨论,主要内容包括以下五个方面: 1.通过对红荧烯(rubrene)双光子吸收性质的理论研究,发现红荧烯相对于并四苯的双光子吸收截面值大得多,证实了存在着从悬挂的苯基到并四苯分子骨架间的对称电荷转移。故此引入对称性的电荷转移也是一个非常有效的增加双光子吸收截面的途径。此外,通过增加红荧烯的共轭范围,双光子截面增加明显。然而在红荧烯的悬挂苯基上引入电子的给体氨基或者电子受体硝基,均会使双光子吸收截面显著下降。所以从双光子吸收分子设计角度来说,增加有效π共轭范围是得到具有大的双光子吸收截面分子的最好选择。 2.通过对一系列以硼为中心多分支低聚芴的双光子吸收性质理论研究,发现增加分支数目能够显著增加低聚芴的双光子吸收截面值。相对于双分支和单支低聚芴,三分支低聚芴CBTFn的双光子吸收截面值最大。采用简化激子模型来讨论CBTFn的双光子吸收截面值,说明在硼原子中心和芴分支间存在很强的有效电子耦合作用。此外存在于三分支CBTFn中的耦合作用要比双分支CBDFn中的耦合作用要强,这表明当分支与中心间的耦合允许时,三分支分子比双分支分子是更好的具有大的双光子吸收截面的选择。 3.通过对在通常的有溶剂中就能很容易溶解的PPV衍生物poly [2-(9-phenylanthracen-10-yl)-1, 4-phenylenevinylene] (P1)的双光子吸收性质的理论研究,发现相对于PPV,由于在P1中引入悬挂基团,P1的双光子吸收截面值明显下降。这主要是由于悬挂基团大大减少了分子本身的有效共轭范围。P1的最大双光子吸收截面所对应电荷转移发生在PPV主链与悬挂基团之间,故此苯基蒽悬挂基团被认为是很好的双光子受体。从应用的角度来看,我们通过在PPV上引入某些基团使得PPV易于被加工,另一方面,应该尽可能保持PPV主链的π-共轭伸展。这两方面应该作为设计具有应用前景双光子吸收材料基本原则。 4.通过对一系列富勒烯C_(60)开孔含氧衍生物的结构、稳定性和非线性光学性质理论研究,发现相对于C_(60),五元开孔含氧衍生物C_(55)O_5的HOMO-LUMO带隙比C_(60)的HOMO-LUMO带隙高,说明C_(55)O_5具有较高的化学稳定性。结合能计算表明五元开孔含氧衍生物C_(55)O_5要比六元开孔含氧衍生物C_(54)O_6更容易形成,我们预测C_(55)O_5的实验合成一定能够实现。由于开孔含氧富勒烯C_(60)衍生物破坏了C_(60)的对称中心,具有相对较大的二阶非线性光学响应,这一发现对于寻找基于C_(60)的新型非线性光学材料开拓了一个新的方向。对于C_(55)O_5与C_(54)O_6的二阶非线性光学响应的主要贡献分析表明沿Z轴的电荷转移是最重要的。 5.通过对一系列富勒烯C_(50)开孔含氧衍生物的结构、稳定性和非线性光学性质理论研究,发现相对于D5h C_(50),将其五元开孔含氧衍生物用氟饱和5/5键C_2位置所形成C_(45)O_5F_(10)(C_(5V))的HOMO-LUMO带隙高于相同水平下C_(60)的HOMO-LUMO带隙,说明C_(45)O_5F_(10)具有较高的化学稳定性。结合能计算表明C_(45)O_5F_(10)相对于D5h C_(50)其他打开一个完整五元环或六元环形成的含氧衍生物(包括开孔后用卤素饱和5/5键C2位置所形成衍生物)更容易形成。表明C_(45)O_5F_(10)(C_(5V))的实验合成是可能的。对C_(45)O_5F_(10)(C_(5V))的二次谐波产生下动态一阶超极化率计算表明:C_(45)O_5F_(10)在从0到1.5 eV间很宽的范围内色散很小,这表明C_(45)O_5F_(10)在频率转换光学材料领域有着潜在的应用前景。对于C_(45)O_5F_(10)的二阶非线性光学响应的主要贡献分析表明沿Z轴(C_5)的电荷转移是最重要的。


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