给/受体基团修饰的含5-9缺陷Zigzag碳纳米条带体系的非线性光学性质

doi:10.7503/cjcu20150613

高等学校化学学报 ›› 2015, Vol. 36 ›› Issue (11): 2204.doi: 10.7503/cjcu20150613

给/受体基团修饰的含5-9缺陷Zigzag碳纳米条带体系的非线性光学性质

张雪莹, 于广涛, 陈巍(), 黄旭日()

吉林大学理论化学研究所, 长春 130023

收稿日期:2015-08-03 出版日期:2015-11-10 发布日期:2015-10-10
作者简介:联系人简介: 黄旭日, 男, 博士, 教授, 博士生导师, 主要从事功能材料设计和化学微观反应机理研究. E-mail:huangxr@jlu.edu.cn;陈巍, 女, 博士, 教授, 博士生导师, 主要从事低维纳米材料和非线性光学材料的结构与性能研究. E-mail:xychwei@gmail.com
基金资助:
国家“九七三”计划项目(批准号: 2012CB932800)、国家自然科学基金(批准号: 21103065, 21373099, 21173097)、教育部博士学科点基金(批准号: 20110061120024, 20130061110020)和吉林省科技发展计划项目(批准号: 20150101005JC)资助

Theoretical Investigation on Nonlinear Optical Properties of the Donor/Acceptor-decorated Zigzag Graphene Nanoribbons with the 5-9 Defect^†

ZHANG Xueying, YU Guangtao, CHEN Wei^*(), HUANG Xuri^*()

Institute of Theoretical Chemistry, Jilin University, Changchun 130023, China

Received:2015-08-03 Online:2015-11-10 Published:2015-10-10
Contact: CHEN Wei,HUANG Xuri E-mail:xychwei@gmail.com;huangxr@jlu.edu.cn
Supported by:
† Supported by the National Basic Research Program of China(No.2012CB932800), the National Natural Science Foundation of China(Nos.21103065, 21373099, 21173097), the PhD Program Foundation of Ministry of Education, China(Nos.20110061120024, 20130061110020) and the Jilin Provincial Science and Technology Development Plan(No.20150101005JC)

摘要/Abstract

摘要：

采用密度泛函理论方法研究了给/受体基团修饰含5-9缺陷的Zigzag碳纳米条带(zGNR-D_5-9)体系的结构和非线性光学性质. 研究发现, 给/受体基团修饰的zGNR-D_5-9体系能表现出大的非线性光学响应, 基团的修饰位置对β₀值有明显影响. 尤其, 同时利用给/受体基团双边修饰zGNR-D_5-9体系时能产生更大的β₀值, 给/受体基团修饰形成的Donor-π-Acceptor结构与缺陷的协同效应是体系表现出大的一阶超极化率的本质原因.

关键词: 碳纳米条带, 5-9缺陷, 给/受体基团, 非线性光学性质, 一阶超极化率

Abstract:

In view of the inevitability of forming defect in the process of nanomaterial synthesis, we investigated the structures and nonlinear optical(NLO) properties of the donor/acceptor-decorated zigzag graphene nanoribbons with the 5-9 defect(zGNR-D_5-9) by means of the density functional theory computations. It is revealed that these donor/acceptor-decorated zGNR-D_5-9 exhibit considerable NLO response, and the modified site of functional group can significantly impact the β₀ value. Particularly, simultaneously employing donor/acceptor pair to decorate both sides of zGNR-D_5-9 can achieve much larger β₀ value, where the synergistic effect of donor-π-acceptor framework and the 5-9 defect should be responsible for the large first hyperpolari-zability of systems. These interesting results can provide the valuable insights and more reliable information for the design of new NLO material based on the graphene nanoribbons.

Key words: Graphene nanoribbon, 5-9 Defect, Donor/acceptor group, Nonlinear optical property, The first hyperpolarizability

中图分类号:

O641

TrendMD:

张雪莹, 于广涛, 陈巍, 黄旭日. 给/受体基团修饰的含5-9缺陷Zigzag碳纳米条带体系的非线性光学性质. 高等学校化学学报, 2015, 36(11): 2204.

ZHANG Xueying, YU Guangtao, CHEN Wei, HUANG Xuri. Theoretical Investigation on Nonlinear Optical Properties of the Donor/Acceptor-decorated Zigzag Graphene Nanoribbons with the 5-9 Defect^†. Chem. J. Chinese Universities, 2015, 36(11): 2204.

图/表 8

Fig.1 Geometry structures of pure zGNR(A) and zGNR-D5-9 with 5-9 defect(B)

Table 1 Polarizability(α) and the first hyperpolarizability(β0) for zGNR-D5-9-NH2(n) and NO2(m)-zGNR-D5-9(n,m=a, b, a', b') systems

System	α/a.u.	β₀/a.u.	System	α/a.u.	β₀/a.u.
zGNR-D_5-9-NH₂(a)	952	2.59×10³	NO₂(a)-zGNR-D_5-9	966	1.10×10⁴
zGNR-D_5-9-NH₂(b)	961	3.22×10³	NO₂(b)-zGNR-D_5-9	961	8.69×10³
zGNR-D_5-9-NH₂(a')	955	8.10×10³	NO₂(a')-zGNR-D_5-9	971	3.56×10³
zGNR-D_5-9-NH₂(b')	950	6.81×10³	NO₂(b')-zGNR-D_5-9	955	1.33×10³

Fig.2 Geometry structures of zGNR-D5-9-NH2(n)(n=a, b, a', b') systems The green, blue and white balls denote C, N and H atoms, respectively.

Fig.3 Geometry structures of NO2(m)-zGNR-D5-9(m=a, b, a', b') systems The green, blue, red and white balls denote C, N, O and H atoms, respectively.

Fig.4 Geometry structures of NO2(a)-zGNR-D5-9-NH2(a')(A) and NO2(a)-zGNR-D5-9-NH2(d')(B)

Fig.5 Static first hyperpolarizability(β0) of the NO2(a)-zGNR-D5-9-NH2(a') and NO2(a)-zGNR-D5-9-NH2(d') systems with synergistic effect versus the zGNR-D5-9 and NO2(a)-zGNR-NH2(a') systems

Fig.6 Crucial transition states of the NO2(a)-zGNR-D5-9-NH2(d')(A), NO2(a)-zGNR-NH2(a')(B) and zGNR-D5-9(C) systems H and L mean the highest occupied molecular orbital(HOMO) and lowest unoccupied molecular orbital(LUMO), respectively.

Table 2 Polarizability(α), the first hyperpolarizability(β0), Oscillator strength(f0), transition energy(ΔE) and the dipole moment(Δμ) between the crucial excited state and ground state and the estimated values under the two-level approach(Δμ·f0/ΔE3) for NO2(a)-zGNR-D5-9-NH2(d'), NO2(a)-zGNR-NH2(a') and zGNR-D5-9

System	α/a.u.	β₀/a.u.	f₀	ΔE/eV	Δμ/a.u.	(Δμ·f₀/ΔE³)/a.u.
NO₂(a)-zGNR-D_5-9-NH₂(d')	1019	1.74×10⁴	0.4227	2.295	0.957	683
NO₂(a)-zGNR-NH₂(a')	1024	1.47×10⁴	0.5041	2.650	0.793	438
zGNR-D_5-9	1169	1.37×10⁴	0.4044	2.799	0.244	90

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