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基于苯并双噻二唑的有机透明紫外—近红外吸收材料的分子设计和理论研究

作　者: 李平
导　师: 张景萍
学　校: 东北师范大学
专　业: 高分子化学与物理
关键词: 透明材料 NIR-UV 理论研究苯并双噻二唑
分类号: TB34
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

有机透明材料在科学界引起越来越高的关注，并且广泛应用到实际生活和生产的各个方面。过去的科研和生产领域的研究主要集中在分别探讨透明紫外(UV)吸收材料和近红外(NIR)吸收材料，迄今为止，还没有报道过同时考虑UV和NIR两个区域的材料的研究。因而，本论文从开发和设计新型透明有机UV-NIR吸收材料的角度出发，采用量子力学的方法，设计了一系列具有可见光区域强透光性，在UV和NIR区域有强吸收的有机分子材料，并对它们的几何构型、前线分子轨道、分子轨道能级、态密度、吸收光谱、重组能和迁移率进行理论研究。这为探究透明极限光吸收材料结构与性质的关系奠定了理论基础，也为实验和理论合成设计有效的材料提供了有价值的理论依据。本文的研究工作主要分为以下两部分：首先，对实验合成的一系列含有苯并双噻二唑（BBT）体系的有机分子进行理论研究方法的选择：对三个分子几何结构，能级结构，电子性质，电子转移性质和吸收光谱性质进行探究，并讨论了给体单元与连接桥对BBT体系吸收光谱的影响。其次，我们依据实验上已经合成的4,8-Bis[9,9-dioctylfluoren-2-yl]-2-pyrrolyl]benzo-[1,2-c:4,5-c’]bis([1,2,5]thiadiazole)（3a）作为母体分子，改变给体片段芴在连接桥吡咯环上的取代位点，设计出β位取代分子（3b），通过改进分子的拓扑结构实现调控分子性质的目的。除此之外，为了进一步验证这种方法的可靠性，我们在吡咯的α和β位分别引入性能良好的构建单元三苯基胺，4,4-二-4氢-环五[2,1-b:3,4-b′]二噻吩衍生物和芴，设计na和nb系列的分子，调节分子的电子结构，进而优化分子的吸收光谱性质。通过比较na和nb系列的分子的性质，探究取代基位置对Py-BBT衍生物的电子结构及光谱吸收性质的影响。计算结果表明，na和nb系列的分子都是很好的NIR吸收材料，而且nb系列分子是优异的透明UV-NIR材料。同时进一步比较两类不同取代位置分子的几何结构，前线分子轨道电子云分布，分子轨道能级，态密度，吸收光谱等性质，为实验和理论研究这些化合物的光学和电子性质提供理论支持。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-6
目录  6-8
第一章绪论  8-21
  1.1 紫外吸收剂  8-13
    1.1.1 二苯甲酮类  9
    1.1.2 苯并三唑类  9-10
    1.1.3 三嗪类衍生物  10-11
    1.1.4 二苯甲酰类衍生物  11
    1.1.5 肉桂酸酯类  11-12
    1.1.6 水杨酸酯及其衍生物  12
    1.1.7 邻氨基苯甲酸酯  12-13
  1.2 近红外吸收剂  13-17
    1.2.1 近红外吸收剂的应用  13-14
      1.2.1.1 一次写入式光数据存储  13
      1.2.1.2 卤化银照相用增感染料  13
      1.2.1.3 激光防护材料  13-14
      1.2.1.4 生物检测、生物成像和传感  14
      1.2.1.5 太阳能电池  14
    1.2.2 常见的近红外吸收剂  14-17
      1.2.2.1 多烯类化合物  14-15
      1.2.2.2 菁类化合物  15
      1.2.2.3 Boron-dipyrromethene(BODIPY)化合物  15-16
      1.2.2.4 花青类染料(PPCy)  16
      1.2.2.5 给受体型近红外材料  16-17
  1.3 D-π-A-π-D 型设计  17-18
  1.4 本论文的研究意义及内容  18-19
  参考文献  19-21
第二章计算方法和光物理基本原理  21-33
  2.1 量子化学计算原理  21-27
    2.1.1 薛定谔方程  21-22
    2.1.2 绝热近似（Born-Oppenheimer）  22
    2.1.3 Hartree-Fock 自洽场算法  22-24
    2.1.4 密度泛函理论  24
    2.1.5 含时密度泛函理论  24-25
    2.1.6 分子轨道理论  25-27
  2.2 有机光物理过程  27-32
    2.2.1 电子跃迁类型  27-28
    2.2.2 Franck-Condon 原理  28
    2.2.3 态的性质  28-30
      2.2.3.1 基态和激发态  28-29
      2.2.3.2 激发单重态和三重态  29-30
    2.2.4 Jablonsk 图  30
    2.2.5 电子跃迁定则  30-32
  参考文献  32-33
第三章 D-π-A-π-D 型的苯并双噻二唑衍生物光电性质的理论研究  33-46
  3.1 引言  33
  3.2 计算模型与方法  33-37
    3.2.1 方法的选择  33-37
      3.2.1.1 优化方法选择  33-35
      3.2.1.2 吸收光谱方法的选择  35-37
  3.3 性质的研究  37-44
    3.3.1 结构性质  37-38
    3.3.2 吸收光谱性质  38-39
    3.3.3 电子性质  39-44
  3.4 结论  44-45
  参考文献  45-46
第四章基于苯并双噻二唑透明 UV-NIR 吸收材料的分子设计及理论计算  46-62
  4.1 引言  46-47
  4.2 计算方法  47-49
    4.2.1 方法选择  47
    4.2.2 预测晶体结构  47
    4.2.3 迁移率的计算  47-49
  4.3 结果与讨论  49-59
    4.3.1 几何结构优化  49-50
    4.3.2 电子性质  50-53
      4.3.2.1 总态密度和分波态密度  50-51
      4.3.2.2 前线分子轨道电子云密度分布  51-53
    4.3.3 吸收性质  53-57
    4.3.4 重组能  57
    4.3.5 迁移率  57-59
  4.4 结论  59-60
  参考文献  60-62
致谢  62-63
在学期间已（待）发表学术论文情况  63

基于苯并双噻二唑的有机透明紫外—近红外吸收材料的分子设计和理论研究

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