光学和振动分子光谱的理论研究
本文关键词：光学和振动分子光谱的理论研究 出处：《中国科学技术大学》2016年博士论文 论文类型：学位论文
更多相关文章： 线性光谱强度 理论分析 紫外可见吸收光谱 红外光谱 Raman光谱
【摘要】：光谱学是现代科学中表征的重要技术手段。测量得到的光谱的特征主要有能量位置、谱峰强度和谱峰形状。对于光谱的理论分析有助于我们从测量信号得到体系的各种性质。本论文从第一性原理出发,对三种常见线性光谱的强度进行了细致的理论分析。它们分别为紫外可见吸收光谱、红外光谱和Raman光谱。紫外可见吸收光谱常用于研究分子激发态的性质,其过程对应着染料敏化太阳能电池的起始步骤。本论文中着重研究一类给体/金属/受体铂络合物的光学性质。由于该类络合物有清晰的电荷转移方向,所以被广泛应用于染料敏化太阳能电池以及发射光谱中。基于含时密度泛函理论得到的激发态波函数,我们提出一种对跃迁几率的直接分解方法。该方法能定量地将跃迁矩阵元分解为任意原子组之间的贡献。利用该方法,我们计算发现对给体/金属/受体的电荷转移态,不仅仅是受体的局域激发对总的跃迁有重要贡献；同时当受体有较小的电子亲合能时,给体的局域激发也有显著的贡献。后者在早期的电荷转移态理论中是被忽略的。此外,通过计算我们还发现,通过调节给体/金属/受体体系中给体和受体之间的二面角,能够精确地控制基态和激发态之间的跃迁几率。这一结果将在发光光谱中有重要的应用。本论文中还对另外两种常用的振动光谱,也就是红外和Raman光谱的强度进行了分析。对于红外光谱,我们在Mulliken布居分析的框架下,提出了一种将动态红外偶极矩分解到各基组的方法。利用该方法,我们研究了一类特殊的体系,也就是偶极束缚阴离子水簇,随弥散基组的收敛性。因为MP2和B3LYP计算级别在阴离子水簇体系的广泛应用,我们将它们分别作为波函数方法和密度泛函方法的代表。随着弥散基组的增加,MP2方法能够给出收敛的红外光谱。收敛结果和已有的实验结果相吻合。但是我们惊奇地发现,使用更广泛用于阴离子水簇的B3LYP方法,计算得到的红外光谱随着外加弥散函数的增加并不收敛。对动态红外偶极矩的进一步分析表明,MP2方法对体系中的偶极束缚电子能够很好地描述,而B3LYP不能。因此,对于偶极束缚态体系、我们推荐首选MP2方法,而不是更加常用的B3LYP方法。对于Raman光谱,我们基于普适的Albrecht理论,重点考察了非共振Raman光谱的强度。在Albrecht理论中,Raman光谱的强度由A项(Franck-Condon项)和B项(Herzberg-Teller项)组成。传统的理论认为,远离共振区域时,A项对Raman强度的贡献可以忽略。但是我们通过仔细分析,发现这一长久以来被广泛接受的观点对于全对称振动模式并不成立。以单个水分子为例,第一性原理计算表明,对于OH键的对称伸缩振动,A项以及其和B项的强相干贡献了最终强度的约50%。同时,对于弯曲振动,A项和B项之间存在部分相消。此外,我们还建立了Albrecht理论和微扰理论之间态态一一对应关系。通过这个对应关系,我们检查了广泛用于动态/共振Raman过程的简单扩展微扰理论的精确性。计算结果表明,对于水第一激发态的弯曲振动,只有当入射光能量和能隙差绝对值大于五倍基态振动能量时,简单扩展微扰理论才是一个好的近似。以上结果表明,即使简单的线性光谱过程,深入的理论研究仍是有必要的。在以后的工作中,我们期待对上述理论的进一步挖掘和应用。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O433
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，本文编号：1334438
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