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邻—碳硼烷及其衍生物的非线性光学性质的密度泛函理论研究

作　者: 刘岩
导　师: 孙世玲
学　校: 东北师范大学
专　业: 物理化学
关键词: 邻碳硼烷电荷转移非线性光学性质电子光谱密度泛函理论
分类号: O627.31
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

非线性光学（NLO）材料因其在光通讯、光计算、光信息处理、光电转换、光开关和数据转换等领域具有重大的应用价值而备受关注。目前，非线性光学材料在设计，合成和应用等方面得到了很大的发展。但是，在设计具有较大的非线性光学响应材料的过程中仍面临着很大的挑战，其中之一就是有效地改善非线性光学响应和光谱红移之间的矛盾。为此，人们一直致力于采用不同的方法来设计或调节具有较大非线性光学响应的潜在化合物。这些方法主要包括：采用带有电子给/受体的分子，通过强化给/受体基团来提高NLO响应；延长π共轭的体系，增强分子内的电荷转移程度从而提高NLO系数；给受体通过π共轭桥连接而形成的推拉分子（给体-π-受体）等。此外，还包括氧化/还原、质子转移、质子/去质子化等新颖的概念。据报道，硼原子具有一定的缺电子性质，可以形成三配位和四配位化合物，通过基团的修饰可以有效地调节其光学特性。近年来，碳硼烷及其衍生物以其特殊的物理和化学性质引起了人们的广泛关注。早在19世纪，Mingos和Michl等人就对以闭合型碳十硼烷为母体的一系列化合物的非线性光学性质进行了研究，结果表明对碳硼烷结构进行适当的修饰可以有效地提高分子的非线性光学响应。本文采用密度泛函理论结合有限场方法，对邻位碳、硼双取代碳硼烷及其衍生物的分子结构，电子光谱以及二阶非线性光学性质进行了理论研究，得出以下结论：1.采用M05-2X方法，分析了1,2和1,3-双取代邻碳硼烷以及二茂铁为取代基团时非线性光学性质的变化。结果表明，1,3-邻碳硼烷是比1,2-碳硼烷更合适的非线性光学材料；二茂铁取代后，1,3-邻碳硼烷的非线性光学性质明显增大。对电子光谱和前线分子轨道的分析表明，分子内的电荷转移程度对二阶非线性光学响应有较大的影响，其中碳硼烷具有吸电子特性，而二茂铁具有给电子特性。2.基于碳硼烷特殊的物理和化学性质，探究了共轭长度、给电子基团和吸电子基团对邻碳硼烷非线性光学性质的影响。结果表明增长π共轭长度是提高第一超极化率的有效方法。然而，与吸电子基团相比，引入给电子基团能有效地提高邻碳硼烷衍生物的第一超极化率值。3.在碳硼烷分子中引入不同的给电子基团得到了一系列二维非线性光学分子，采用密度泛函理论分析了单分支与多分支碳硼烷的二维NLO响应。计算结果表明，与单分支碳硼烷相比，多分支碳硼烷的非线性光学响应明显增大。对于多分支邻碳硼烷，增强给体基团的强度，其一阶超极化率值增大。激发态的电子跃迁显示沿y轴极化跃迁，对非对角极化张量(β_zyy)起主要贡献，具有较低的跃迁能，而z轴极化跃迁，对对角极化张量(β_zzz)起主要贡献，这导致了较大的平面内非线性各向异性(μ=β_zyy/β_zzz)，以及二维非线性光学性质。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-9
第1章绪论  9-18
  1.1 硼烷及碳硼烷简介  9-11
    1.1.1 硼烷及碳硼烷简介  9-10
    1.1.2 硼烷及碳硼烷的应用  10-11
  1.2 非线性光学简介  11-13
    1.2.1 非线性光学理论的概述  11-12
    1.2.2 非线性光学理论的发展  12
    1.2.3 非线性光学理论的应用  12-13
  1.3 非线性光学材料简介  13-14
    1.3.1 无机非线性光学材料  13
    1.3.2 有机非线性光学材料  13-14
    1.3.3 有机金属配合物非线性光学材料  14
  1.4 非线性光学材料的研究方法  14-17
    1.4.1 实验测定方法  14-15
    1.4.2 理论研究方法  15-17
  1.5 本论文研究的主要内容及意义  17-18
第2章碳，硼取代的邻碳硼烷衍生物的二阶非线性光学性质的理论研究  18-25
  2.1 引言  18-19
  2.2 计算模型与方法  19-21
  2.3 结果与讨论  21-24
    2.3.1 几何结构分析  21-22
    2.3.2 第一超极化率  22
    2.3.3 电子光谱  22-24
  2.4 本章结论  24-25
第3章氯苯碳硼烷及其衍生物的二阶非线性光学性质的密度泛函理论研究  25-31
  3.1 引言  25-26
  3.2 计算方法  26-27
  3.3 结果与讨论  27-30
    3.3.1 几何结构分析  27-28
    3.3.2 第一超极化率  28
    3.3.3 电子光谱  28-30
  3.4 本章结论  30-31
第4章双取代邻碳硼烷衍生物二维非线性光学性质的理论研究  31-40
  4.1 引言  31-32
  4.2 计算方法  32-33
  4.3 结果与讨论  33-39
    4.3.1 几何结构分析  33-35
    4.3.2 第一超极化率  35-36
    4.3.3 电子跃迁性质  36-39
  4.4 本章结论  39-40
参考文献  40-52
致谢  52-53
在学期间公开发表论文及著作情况  53

邻—碳硼烷及其衍生物的非线性光学性质的密度泛函理论研究

内容摘要

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