卟啉酞菁类共轭分子及其有序聚集体的电子定向转移与极化效应的理论研究和器件设计

Due to the unique macrocycle delocalized pi-orbitals, porphyrins and phthalopcyanines, together with their metal complexes, provide broad delocalized motion space for the numerous pi-electrons, leading to the various phenomena of directional electron transfer and molecular polarization. Therefore, porphyrins and phthalocyanines have natural advantages in the researching fields relating to the directional electron transfer and molecular polarization. The primary goal of this research project is to develop the theory of directional electron transfer and molecular polarization for porphyrins and phthalocyanines, design novel porphyrinato and phthalocyaninato metal complexes as advanced dye-sensitized solar cells and outstanding nonlinear optical materials. By the previously described theoretical works, we can thoroughly investigate the relationship of molecular structure, supramolecular structure, and material properties. Depending on these successes, theoretical supports will be provided for the design of new porphyrin/thalocyanine-based photoelectric devices.

卟啉酞菁类大环共轭分子及其金属配合物所拥有独特的大环pi离域轨道，为众多pi电子提供了广阔的离域运动空间，表现出丰富多彩的电子定向转移与极化效应，这就使该类共轭配合物在涉及电子定向转移和极化效应方面的研究中具有天然的优势。本课题将紧密围绕卟啉酞菁类共轭分子及其有序聚集体的电子定向转移与极化效应进行理论研究，在分子水平上研究该类共轭配合物及其聚集体的极化效应，以新型染料敏化太阳能电池和非线性光学器件的理论设计为导向，深入探讨分子结构-超分子结构-材料性能构效关系，为获得新的卟啉酞菁基功能分子材料并实现其在新星光电器件中的实际应用提供理论支撑。

在项目执行的三年期间，我们提出了基于“耦合微扰密度泛函理论”和“电子云阻尼震荡理论”的二阶非线性光学响应理论和相应的算法，并开发且持续改进非线性光学材料设计软件NLO Calculator。同时，以该算法和软件为基础，解决了许多与实验化学相关的理论问题，为新型非线性光学材料的设计研发提供了基本依据和设计原则。.与非线性光学工作“从理论研究到实验验证”的道路所不同的是，在太阳能电池材料的设计上，我们采用了“从实验问题开始，到理论研究升华，再返回实验研究中去”的道路。我们基于“含时密度泛函理论”改进了光激发电子转移理论并发展了相应的算法，并开发了光激发电子转移计算软件TD-Analy，并为实验化学研究提供了高效太阳能收集器件分子的设计原则。.以下是项目取得成果的总体情况：.(1) 提出了基于“耦合微扰密度泛函理论”和“电子云阻尼震荡理论”的二阶非线性光学响应理论和相应的算法；.(2) 基于“含时密度泛函理论”改进了光激发电子转移理论并发展了相应的算法；.(3) 以理论化学研究为基础，为实验化学研究提供了高性能的非线性光学相应材料的设计原则；.(4) 以理论化学研究为基础，为实验化学研究提供了高性能的太阳能收集器件的设计原则；.(5) 在国际著名化学杂志如Chem. Sci.、Chem. Eur. J.等发表了17篇SCI论文（第一作者或通讯作者7篇，其他作者位次10篇）。.(6) 在前述理论进展的基础上，编写并发布了光激发电子转移计算软件TD-Analy (被引10多次)，持续改进非线性光学材料设计软件NLO Calculator (被引20多次)，在一定范围内得到了国内外科学家的使用和肯定，并得以继续改善。