基態近簡併共軛體系的電子結構研究

《基態近簡併共軛體系的電子結構研究》是依託南京大學，由劉春根擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基態近簡併共軛體系的電子結構研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉春根
• 依託單位：南京大學

項目摘要

本項目所涉及的基態近簡併共軛體系，具有明顯的共軛雙自由基乃至多自由基特徵，形成典型的雙孤子結構，表現為開殼層基態電子結構。通常，兩個孤子的空間區域重疊很小，相互作用微弱，導致單三態能隙很小，甚至在常溫條件下，熱效應就會使高能態有較為明顯的平衡布居。電子結構的特異性，派生出獨特的物理性質，使此類分子在非線性光學、 光電轉換、及自旋電子學等諸多領域具有重要的套用前景，成為材料電子學的研究熱點。本項目將基於密度矩陣重整化群和其它低標度方法，發展半經驗量子化學的QM/MM方法及其分子動力學計算方案，與第一性原理計算相結合，討論此類共軛體系基態與激發態電子結構與電子相關效應，理解分子處於受激狀態時的電荷轉移、自旋－軌道偶合、電場與磁場回響等物理過程；總結討論共軛體系的拓撲結構與取代基效應對於分子的物理性質與化學穩定性的影響與結構調變規律。

結題摘要

本項目立足於密度矩陣重整化群（DMRG）技術，發展了半經驗量子化學模型MM/VB求解過程中能量梯度的解析計算方法，從而完善了DMRG-MM/VB的算法，使其能夠方便地進行大共軛分子基態與激發態的幾何構型最佳化，以及能量與波函式計算。將上述方法用於石墨烯納米帶結構缺陷的探究，分析了納米帶中兩個不同點位結構缺陷間的相互作用，結果表明，同種類位點的結構缺陷間有可能發生強烈偶合，導致典型的石墨烯邊界態的消失；不同類位點的結構缺陷則沒有此性質。因為在兩種情形下納米帶有可能表現出巨大的磁性質差異，為石墨烯納米帶磁性的結構調變規律提供了可能。在共軛體系激發態過程的動力學研究方面，引入分裂算符（SO）方法，發展了電子波函式含時演化的SO-MM/VB計算方案，較傳統方案能夠用於更大的共軛體系（含22-26個共軛碳原子），且數值精度更高。由此發展的非絕熱動力學計算，有可能套用於諸如類胡蘿蔔素等較大共軛體系激發態過程的模擬計算，成為從頭算動力學方法的有益補充。基態近簡併體系往往帶有顯著的多自由基特徵，其中，反鐵磁性有機多自由基共軛體系有可能成為未來自旋電子學材料的重要源泉。本項目對於以模型哈密頓描述有機多自由基體系中的電子自旋偶合進行了較深入的理論分析，結合從頭計算方法，討論了Heisenberg模型與Hubbard模型在套用於不同相關強度反鐵磁性多自由體系時的可靠性。