有机分子材料非线性光学性质的量子化学与分子动力学模拟研究

摘要

1960年激光器的诞生使得非线性光学迅速地发展起来,人们研究非线性光学现象必须借助于有较强非线性光学性质的材料.有机分子材料有着较宽的响应波段、高的光损失伤阈值、易于合成、可进行裁剪和修饰等优点,因而成为近几年许多研究领域的热点.现阶段人们主要基于从头计算的量子化学方法对分子材料的非线性光学性质进行理论研究,通过设计不同结构的化合物对其性质进行理论计算.对于相当多的研究体系,这种方法可以较好地给出分子光学性质的相对趋势.但实际上,由于有机分子的非线性光学性质通常在溶剂环境下测量,并且有些分子由于分子间的相互作用会产生聚集,所以理论研究中不能忽视溶剂效应和聚集现象的影响.另外,还有化学中常见的同分异构现象,包括结构异构和转动异构,目前对非线性光学性质的影响这方面的研究不多,是一个值得深入探索的课题.近几年发展起来的分子动力学模拟方法能够较详细地研究溶液中分子间的相互作用,这在研究非线性光学过程及其性质中体现了极大的优越性,能有效地模拟实验过程,为分子的设计和合成提供有益的指导.因此应用分子动力学模拟结合量子化学的方法将有助于探寻体系宏观性质的微观机制,可以更好地研究诸如聚集效应等有机分子的非线性光学性质.
　　本论文采用量子化学和分子动力学模拟方法,研究了异构效应、溶剂效应和聚集效应对一系列有机分子的非线性光学性质的影响,详细分析并讨论了分子的结构-性质之间的关系.下面简要介绍本论文的主要研究内容和结果.
　　一、分子异构对给体-受体取代苯分子双光子吸收性质的影响用二次响应函数在B3LYP和CAM-B3LYP两种泛函下分别计算了结构异构和转动异构现象对一系列X形状分子的双光子吸收性质的影响,并用极化连续模型来计算溶剂效应.计算结果表明,由给体-受体不同取代方式产生的结构异构体展现了差异较大的双光子吸收性质,包括谱线的形状、吸收峰位置以及吸收强度,并且吸收性质很大程度地依赖于所选用的泛函.由可转动单键带来的转动异构现象对双光子吸收谱线的位置和强度均一定的影响.
　　二、分子聚集对电荷转移分子团簇双光子吸收性质的影响用分子动力学模拟和量子化学方法来研究了聚集效应对二维电荷转移分子(DADB)双光子吸收性质的影响.计算结果发现,由于氢键相互作用产生的分子聚集使分子发生了不同程度的扭转,聚集体中包含的不同氢键类型以及不同的二面角都会对相应的吸收谱线产生很大的影响.跟单体相比,所有二聚体和三聚体的谱线均发生了红移,即激发能降低了,最大的红移发生在三聚体中.更重要的现象是,大部分情况下的双光子吸收性质由于聚集反而降低了活性。
　　第一章作为综述,简要介绍了非线性光学的发展过程,并总结了近年来有机分子材料双光子吸收性质的研究进展;第二章介绍了研究分子几何结构及性质的量子化学基本理论,包括Hartree-Fock方法和密度泛函理论;第四章介绍了分子动力学模拟的基本理论,包括运算法则和主要的模拟过程,并介绍了分子动力学模拟在非线性光学中的几种应用;第四章介绍了有机分子光学性质的计算方法,包括含时微扰理论、双光子吸收截面的计算方法,详细说明了响应函数方法;第五章研究了分子异构现象对给体-受体取代苯分子的双光子吸收性质的影响;第六章研究了分子聚集对电荷转移分子团簇双光子吸收性质的影响;第七章进行了总结和展望.

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第一章 综述

1.1 非线性光学概述

1.2 有机分子材料双光子吸收性质的研究进展

1.3 论文的研究背景及主要内容

第二章 量子化学基本理论

2.1 波恩-奥本海默近似

2.2 Hartree-Fock近似

2.3 密度泛函理论

第三章 分子动力学模拟理论

3.1 运算法则

3.2 模拟过程

3.3 分子动力学模拟在非线性光学中的应用

第四章 有机分子光学性质的计算方法

4.1 含时微扰理论

4.2 双光子吸收截面的计算方法

第五章 分子异构对给体-受体取代苯分子双光子吸收性质的影响

5.1 研究背景

5.2 计算方法

5.3 结果分析与讨论

5.4 小结

第六章 分子聚集对电荷转移分子团簇双光子吸收性质的影响

6.1 研究背景

6.2 计算方法

6.3 结果分析与讨论

6.4 小结

第七章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢