氟对芘基石墨烯量子点的吸收和发射光谱掺杂能力的研究

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碳点(CDs)独特的光学和电学性质使其在太阳能电池、光电探测器、生物成像、传感器和发光二极管等领域具有巨大的应用潜力。量子碳点(QCD)和石墨烯量子点(GQDs)的功能化是调节其光谱的一种常用方法,可提高其在材料科学和生物相关学科中的潜在适用性。根据实验观察,氟原子的官能化会引起吸收光谱和发射光谱的明显变化以及强度的增加。由于氟化量子碳点的结构复杂,在原子级水平上理解氟功能化的影响仍然具有挑战性。本研究用中性氟原子以及带负电荷的氟离子掺杂两个多环芳烃(芘和环芘)来构建研究模型。旨在通过理论计算,研究共价边缘氟化和氟离子掺杂对芘和环芘的吸收和发射光谱的影响。所使用的高级量子化学计算方法为单参考的二阶代数图解构造法(ADC(2)),使用CAM-B3LYP泛函的密度泛函理论(DFT)以及基于DFT的多参考组态相互作用(DFT/MRCI)方法。DFT/MRCI作为ADC(2)和CAM-B3LYP的基准。计算结果表明,氟离子掺杂会使相对基态稳定性、电荷转移特性以及紫外吸收光谱和发射光谱的位移发生很大的变化。氟离子的作用在很大程度上取决于其相对于GQDs的位置。当氟离子与GQDs位于同一平面上时,只导致GQDs的吸收和发射光谱发生可忽略的位移,并且在电子激发后有解离的趋势。而当氟离子位于GQDs平面上方时将引起较大的红移。计算得到芘的发射光谱的位移高达350 nm,而环芘的位移甚至更大。氟离子掺杂配合物的红移较大是由于引入了新的具有显著电荷转移特性的激发态。结果表明,氟离子掺杂对光谱有显著影响并且氟离子是一种良好的掺杂候选物。边缘氟原子掺杂的结果较为一致,吸收和发射光谱只发生微小的红移并且随着掺杂芘和环芘结构中氟含量的增加而增加。由于上述所讨论的氟掺杂的共价配合物和离子配合物的光学性质的变化纯粹是由氟的电子性质引起的,因此对于其他结构类型的多环芳烃也可能观察到类似的光谱变化,至少那些具有封闭壳层基态电子结构的多环芳烃可以。本研究为氟掺杂量子点的研究提供了新的思路,有助于促进其合理设计和可控合成。
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