SrH2分子在外電場作用下基態(tài)性質(zhì)及激發(fā)特性研究

王路路　劉家興　黃瑞　任海松　陳德良

摘要：采用密度泛函理論，以DGDZVP為基組，采用wB97XD方法研究了不同外電場（0～0.05 a.u.）對SrH₂分子基態(tài)幾何結(jié)構(gòu)、電荷布局、偶極矩、總能量、最高占據(jù)軌道（HOMO）能級、最低空軌道（LUMO）能級及能隙（Eg）、紅外和拉曼光譜及電子激發(fā)特性的影響.研究結(jié)果顯示：鍵長和偶極矩隨外電場的增大而增大，鍵角、總能量、HOMO能級、LUMO能級和能隙隨外電場的增大而減小，Sr原子正電性隨外電場的增大而減弱，H原子負電性也隨外電場的增大而減弱，紅外和拉曼光譜在外電場的作用下都出現(xiàn)了紅移，其強度也發(fā)生了明顯的變化，前26個激發(fā)態(tài)激發(fā)能、振子波長和振子強度都隨外電場變化而發(fā)生了比較復雜的變化，說明SrH₂分子光譜和激發(fā)特性均易受外電場的影響，這對材料的光學特性研究提供理論參考.

關(guān)鍵詞：外電場; SrH₂; 基態(tài); 激發(fā)特性

中圖分類號：O561 文獻標志碼：A 文章編號：1001-8395（2023）05-0668-09

鍶（Sr）元素廣泛存在于土壤、海水中，是一種人體必需的微量元素，具有防止動脈硬化，防止血栓形成的功能，其在環(huán)境監(jiān)測、地質(zhì)結(jié)構(gòu)形成與分析和人類健康等方面都受到學者的廣泛關(guān)注[1-2].鍶的化合物是制造電視熒光屏最重要的材料，另外Sr及其化合物在醫(yī)學上也有廣泛的應用，如利用其放射性用于檢測人體骨骼異常位置，還可用于修補牙齒等，而鍶氫化物具有較高質(zhì)量的儲氫能力，所以在工業(yè)生產(chǎn)、新興材料、清潔能源、物理學等各方面都有著重要的地位和研究意義[3-4].

科學家們對鍶及其氫化物物理性質(zhì)的研究一直很感興趣，例如：Mukherjee等[5]對陽離子鍶氫化物團簇的密度泛函研究表明，鍶比鈣具有更明顯的共價特性.Shi等[6]研究了鍶氫化物陽離子（SrH+）低能電子態(tài)組態(tài)下的勢能曲線、光譜常數(shù)和躍遷偶極矩等物理性質(zhì).Belayouni等[7]討論了SrH+陽離子基態(tài)和多激發(fā)態(tài)的絕熱和準絕熱勢能曲線及其光譜參數(shù).Bytheway等[8]在1995年研究了SrH₂分子的能量和幾何構(gòu)型.Gridani等[9]研究SrH₂的彈性、電子和晶體結(jié)構(gòu)等性質(zhì).然而，對SrH₂分子在外電場作用下的性質(zhì)及其特性到目前為止還鮮見報道.

基于密度泛函理論（DFT）第一性原理的計算被廣泛用來研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)及性質(zhì)，如Chang等[10]研究了壓力作用下固體硝基甲烷的結(jié)構(gòu)、電子和彈性性質(zhì).對物質(zhì)的外界調(diào)控受到許多研究者的重視[11-14]，尤其是分子在外電場作用下的第一性原理研究，是一項具有意義的研究工作，分子在內(nèi)電場與外電場相互作用會引起電子的偏移，從而發(fā)生物理或化學性質(zhì)的變化.如李亞莎等[15]研究了外電場下C₅F₁₀O分子特性，表明C₅F₁₀O分子的穩(wěn)定性隨著電場的增大而降低，沿電場方向聚乙烯鏈端表現(xiàn)出親核反應活性，它的C—C鍵更容易斷裂，形成甲基碳負離子.Zhao等[16]研究表明外電場還能有效地改變SiC7單分子膜上吸附分子的電子和光學性質(zhì).楊濤等[17]研究外電場下甲醛的分子光譜與解離特性.因此，外電場下分子性質(zhì)的研究具有重要的意義，且受到大量學者的關(guān)注[18-21].

本文采用密度泛函中wB97XD方法和DGDZVP基組對SrH₂分子進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到SrH₂基態(tài)分子的穩(wěn)定構(gòu)型，在z軸方向加上不同的電場（0～0.05 a.u.）來研究SrH₂分子鍵長（Sr—H）、鍵角（H—Sr—H）、總能量、偶極矩、電荷布局、最高占據(jù)軌道（HOMO）能級和最低空軌道（LUMO）能級及能隙（E_g）等隨外電場的變化關(guān)系，研究外電場對SrH₂分子紅外和拉曼光譜的影響，及前26個激發(fā)態(tài)的激發(fā)能、躍遷波長和振子強度與外電場的關(guān)系.

1理論與方法

2計算結(jié)果與討論

2.1SrH₂分子基態(tài)幾何結(jié)構(gòu)

2.2SrH₂在外電場作用下的基態(tài)性質(zhì)

2.3光譜特性與電子激發(fā)

3結(jié)論

本文采用密度泛函wB97XD/DGDZVP方法研究SrH₂分子基態(tài)性質(zhì)、光譜特性和電子激發(fā)性質(zhì).發(fā)現(xiàn)外電場對SrH₂分子鍵長、鍵角、電荷布居、偶極矩、總能量、能隙、紅外和拉曼光譜及其強度等都有顯著的影響.研究表明：在z軸正向外電場作用下，SrH₂分子的鍵長變長，鍵角變小，偶極矩增大，總能量減小，能隙減小，Sr原子正電性和H原子負電性減弱.在外電場從0～0.05 a.u.變化過程中，紅外和拉曼光譜均出現(xiàn)紅移，紅外光譜強度減弱，拉曼光譜強度增強，SrH₂分子前26個激發(fā)態(tài)的激發(fā)能、振子波長和振子強度都發(fā)生了明顯的復雜的變化，因此，可以通過改變外電場來改變SrH₂分子的基態(tài)性質(zhì)和控制SrH₂分子的光譜特性.該研究對SrH₂分子在醫(yī)學、儲氫能力和新材料制備具有一定的理論指導意義.

致謝貴州師范學院大學生科研項目（2020DXS083）對本文給予了資助，謹致謝意.

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Study on Ground State Properties and Excitation Characteristics of SrH₂Molecule Under External Electric Fields

WANG Lulu，LIU Jiaxing，HUANG Rui，REN Haisong，CHEN Deliang

（School of Physics and Electronic Sciences， Guizhou Education University， Guiyang 550018， Guizhou）

Abstract：The effects of different external electric fields （0～0.05 a. u.） on the ground state geometry， charge layout， dipole moment， total energy， HOMO energy level， LUMO energy level and energy gap （E_g）， infrared and Raman spectra and electronic excitation characteristics of SrH₂were studied by wB97XD/DGDZV method. The results show that the bond length and dipole moment increase with the increase of the external electric field， the bond angle， total energy， HOMO energy level， LUMO energy level and energy gap decrease with the increase of the external electric field， the positive electricity of Sr atom decreases with the increase of the external electric field， and the negative electricity of H atom decreases with the increase of the external electric field， while the infrared and Raman spectra have a red shift under the action of the external electric field， and their intensity has also changed significantly. The excitation energy， the oscillator wavelength and oscillator strength of the first 26 excited states have complex changes with the change of external electric field， which shows that the spectrum and excitation characteristics of SrH2 molecule are easily affected by the external electric field， providing a theoretical reference for the study of optical properties of materials.

Keywords：external electric field; SrH2; ground state; excitation characteristics

（編輯 陶志寧）