基于石墨烯片的碳纳米材料二维二阶非线性光学性质及全谱双光子吸收的理论研究

Potential application of nonlinear optical (NLO) materials in optoelectronic industry (particularly in laser technology) and applications of NLO spectra in property characterization and imaging technology make the studies on NLO properties of materials and NLO spectroscopy urgent. The present project will write a linear scaling two-dimensional NLO program based on the sum-over-states model and study the electronic structure and dynamical second and third order NLO properties (including full-spectrum two-photon absorptions) of graphene nanosheets with heptagon-pentagon (azulene) defects. Upon the introduction of a concept, azulene dipolet, the effect of the correlation (arrangement) of azulene dipolets on the electronic structure and NLO properties of graphene nanosheets will be systematically investigated, the intrinsic microscopic correlation between the NLO properties and the structure of materials will be revealed, and carbon-based molecular materials with good NLO properties will be proposed.

非线性光学材料在光电子工业（尤其是激光技术）的潜在应用和非线性光谱学在物质性质表征及成像技术中的应用使得物质的非线性光学性质及非线性光谱技术的研究日趋紧要。本项目将利用态求和模型进行二维非线性光谱线性标度程序编制及对带7-5元环（薁）缺陷石墨烯纳米片材料的动态二、三阶（包括全谱双光子吸收）非线性光学性质进行研究。引入薁单元偶极子的概念，系统研究带薁缺陷的石墨烯纳米片材料中薁单元之间的关联(排列）对石墨烯纳米片材料电子结构和非线性光学性质的影响，探究物质结构与非线性光学性质的微观内在联系，提出具有优良非线性光学性质的碳基分子材料的设计方案。

在非线性光学材料在光电子工业（尤其是激光技术）的潜在应用和非线性光谱学在物质性质表征及成像技术中的应用使得物质的非线性光学性质及非线性光谱技术的研究日趋紧要的背景下，本项目开展了非线性光学性质模拟程序开发及碳纳米非线性光学材料设计研究。基于态求和模型，本项目编制了全面模拟纳米材料的二、三阶非线性光学性质（包括二维二阶非线性光学谱，超级瑞利散射，二维双光子吸收谱）的线性标度并行化程序LinSOSProNLO，并和量子化学程序ZINDO结合，为全面系统研究纳米材料的二、三阶非线性光学性质打下研究方法基础。本项目提出了通过引入薁结构、B/N掺杂和官能团的取代改善石墨烯纳米片电子结构增强其非线性光学响应的建议和方案（第一静态超极化率可达到每重原子33.44×10^{−30} esu）；设计了带薁结构的手性螺旋石墨烯纳米带，通过BN掺杂及官能团取代进一步增强了其非线性光学响应；研究了碳笼洋葱分子的三阶(包括全谱双光子吸收)非线性光学性质，澄清了碳笼洋葱分子外层分子的法拉第笼屏蔽效应。通过薁结构改变石墨烯边的结构(电子结构)和极性、B、N掺杂增强体系的动力学稳定性（金属向半导体转换）、取代基的修饰进一步增强体系的非线性光学响应的策略为非线性光学材料设计提供建设性的方案。