基于ab initio计算的cf-离子低激发态光谱性质研究-周锐.pdf

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1、物理学报Acta PhysSinV0166，No2(2017)023101基于ab initio计算的CF一离子低激发态光谱性质研究术周锐1) 李传亮1)十 和小虎1) 邱选兵1) 孟慧艳1) 李亚超1)赖云忠1) 魏计林1) 邓伦华2)1)(太原科技大学应用科学学院，太原030024)2)(华东师范大学，精密光谱科学与技术国家重点实验室，上海 200062)(2016年9月1日收到；2016年10月23日收到修改稿)基于相关一致基组augCCpV5Z，采用高精度的内收缩多参考组态相互作用方法计算了CF离子两个最低解离极限C(3P2)+F一1So)和C(1D2)+F一(1So)对应的5个AS态

2、(x3一，a1，b1+，A3H和c1)的势能曲线计算中考虑了Davidson修正和标量相对论修正以提高数据的可靠性根据AS态的势能曲线，求解径向薛定谔方程得到振转能级，通过拟合获得了这些电子态的光谱常数此外，研究了5个AS态的电偶极矩随核间距变化的曲线，分析了电子态的组态变化对电偶极矩的影响计算了A3一x3一的跃迁偶极矩和FranckCondon因子，获得了A3的5个最低振动能级的辐射寿命，分析了两个电子态之问的跃迁特性，并给出了振子强度最后，研究了A3n态的预解离机理，并计算得到了高振动能级的解离寿命关键词：CF离子，光谱常数，组态相互作用，预解离PACS：3115A，3110+z，3270

3、Cs DOh 107498aps66023101-口双原子氟碳化合物(CF)及其离子在天体物理学1-a、环境科学4、半导体工业5-9等领域发挥着非常重要的作用其中，氟碳负离子(CF一)一直以来都是气相反应研究的一大热门体系10-12，在碰撞电离反应、里德伯态电子转移以及电子俘获等方面扮演着重要的角色13，受到了研究人员的广泛关注1970年，Thynne和Macneil14J采用电子轰击C2F4的方法得到了CF一1971年，0Hare和Wahl15】首次使用Roothaan展开法在不同核间距范围内计算了CF一离子基态f3一)的HartreeFock(HF)自洽场(SCF)波函数，并通过Dunha

4、m方法对其势能曲线拟合得到了3一态的光谱常数1991年，Gutsev和Ziegler16基于密度泛函理论(densityfunctional theory，DFT)对cx(x为H，F，C1，Br，I)及其正负离子的分子结构进行了研究；次年，他们采用基于DFT的绝热局域密度近似和扩充的非局域交换修正计算了CF一-C+F一解离极限的解离能(D。)171993年，Rodriquez和Hopkinson1S】在SCF631+C(d，P)级别上研究了cx(x为H，F，C1)的电子结构，并得到了3一态的平衡核间距(风)和谐振频率(u。)1994年，Xie和Schaefer11采用包含微扰三重激发修正的单、

5、双激发耦合簇理论CCSD(T)1对CF及CF一进行了研究，给出了它们的电子亲和能以及R。1999年，Ricca19】基于DFT在B3LYP631 l+G(2df)理论水平上对CF。(n=14)，cF去(n=14)和cF：(n一1 3)进行了研究，在CCSD(T)下获得其D。$国家自然科学基金(批准号：11504256)、中国科学院时间频率基准重点实验室开放基金、精密光谱科学与技术国家重点实验室开放课题、山西省高等学校科技创新项目(批准号：2014146，2015166)和晋城市科技攻关项目(批准号：120150100422)资助的课题十通信作者Email：cllityusteducn2017中

6、国物理学会Chinese Physical Society http：wulixb咖hyacc佗0231011万方数据物理学报Acta PhysSinV0166，No2(2017)023101数值相对于中性CF及CF+离子的大量理论与实验研究20-24，人们对CF一离子的研究较少由于缺乏足够可靠的理论数据，相关的实验也受到了限制而且此前的理论研究计算采用的基函数都比较小，大多采用单参考组态方法，相关能的计算精度和解析势能函数拟合精度不足另外，之前的理论研究仅仅涉及了CF离子的基态X3一，未提及a1A，b1+，A3和c1等激发态然而分子离子体系中电子态之间的微扰作用在化学反应动力学中是不可忽略的

7、25,26此外，CF一离子激发态与基态之问跃迁的Franck-Condon fFC)因子及其激发态的辐射寿命等尚未出现详细的报道本文利用高精度的内收缩多参考组态相互作用方法finternally contracted multireference configuration interaction，icMRCll2700计算了CF一离子X3一，a1A，b1+，A3II和c1的5个AS态的势能曲线，获得了对应电子态的振动和转动常数讨论了这5个AS态的电偶极矩felectricdipole moment，EDM)与电子组态的关系此外，我们还计算了A3HX3E一的FC因子、跃迁偶极矩(transit

8、ion dipole moment，TDM)，辐射寿命(7_)和振子强度(foo)，并研究了A3高振动态的预解离效应2计算细节根据WingerWitmer规则，我们通过联合分离原子法可以得到CF一离子的第一解离极限c(3Pg)+F一(1Sg)有2个三重态x3一，A3；第二解离极限C(1D。)+F一(1Sg)有3个单重态a1，b1+和c1利用MOLPR02012量化计算软件包31在010070 nm的核间距范围内研究了这5个AS态的光谱性质CF一离子是异核双原子离子，属于C。点群由于MOLPRO软件包自身的限制，计算只能在C。的子群Q。下进行Q。点群包含四个不可约表示A1，B1，B2和A2从Gk

9、。到Q。点群的对应关系为+j A1，j B1十B2，_A1+A2，一斗A2计算过程中，我们首先采用HF方法计算CF一离子基态X3E一的波函数作为初始波函数，然后利用完全活性空间自洽场(CASSCF)方法对价电子波函数作态平均来进行优化在CASSCF以及随后的MRCI计算中，将9个分子轨道(3d一70和1兀一2兀)放入活性空间，包括5个a1，2个b1，2个b2C原子的2s2p电子和F一离子的2s2p电子处于这个活性空问中最后，以CASSCF优化的波函数作为MRCI的参考波函数，采用MRCI方法在AV5Z水平上计算5个AS态的势能曲线为了提高势能曲线的计算精度，考虑DouglasKroll哈密顿近

10、似的相对论修正，最终选用augCCpV5Zdk相关一致化基组32-34同时，为了考虑高激发项的贡献，在计算中加入Davidson修正另外还计算了5个AS态的EDM以及A3一X3一态的TDM基于此，用最小二乘法拟合得到R。，u。，。x。，B。，OL。等光谱常数最后，通过LEVEL 80程序35求解核运动的径向薛定谔方程得到了5个AS态的振一转能级、A3一X3一跃迁的FC因子、振子强度尼n以及A3态低振动能级的辐射寿命丁通常情况下用爱因斯坦系数A U，U，来表征辐射跃迁概率，当FC近似有效且不考虑空间简并时，A，的表达公式为36 ，：匿坞黧掣，(1)式中u 7和u分别代表上态和下态的振动能级，AE

11、，是指以cm-1为单位的上下态振动能级的能量差，w，是原子单位下的跃迁偶极矩，q。v，是指FC因子如果考虑态的简并，则A，可表示为37A毗，=(214191010)g IR咖，2(玩，)3，(2)式中g是简并因子，R。，是平均跃迁偶极矩激发态振动能级u7的辐射寿命7-可以表示为 11(舢)u 7 在电子光谱学中，振子强度厂U，通常用来表示分子两个振动能级间的辐射跃迁概率373引，其计算公式为9 。，=三IR毗，f(玩v，) (4)势垒或双势阱结构在双原子分子中较为常见当分子处于第一势阱的能级能量E，大于第二势阱平衡核间距处能量且小于其解离极限处能量时，有一定概率的分子将穿透势垒进入第二势阱中当

12、玩高于该电子态的解离极限时，有一定概率的分子在隧穿势垒后将解离成两个原子，导致能级寿命变短38隧穿概率71丁d，用来表征分子经历平万方数据物理学报Acta PhysSinV0166，No2(2017)023101均解离寿命丁a后将以概率7发生无辐射分解，即预解离丁d计算公式为 乃=互1伯exp(4兀危)厂云元丽dr，(5)式中丁b是分子所处能级的振动周期，m是分子的质量，h是普朗克常数，r为核间距，指数上的积分式为势能曲线U中势垒被能级E分割出的面积根据海森伯测不准关系，丁d与能级宽度，(单位为cm_1)的关系为乃2二2ncF， (6)式中c是光速3结果与讨论31 AS态的势能曲线和光谱常数C

13、F一离子的第一解离极限C(3Pg)+F一(1Sg)包含2个三重态x3一，A3；第二解离极限C(1D。)+F一(1S。)包含3个单重态a1A，b1+和c1势能曲线的计算结果如图1所示图1中以基态X3E一平衡核间距处作为势能零点，图1右下角插图为A3和c1态平衡核间距处的放大图将CF一离子的5个电子态在臻处的主要分子轨道(molecular orbital，MO)组态在表1中列出CF一离子基态X3E一在风附近的MO组态是 (1a)dp(20)dp(30)“p(40)邮(1几)“p邮(50)“p(2兀)”，所占比重为8959 对于第一激发态a1和第二激发态b1+，在风附近的主要MO组态均为(10)“

14、p(20)。p(30)“p(40)ap(111)。pdp(50)“p(21t)00(4475)和(10)邮(20)。p(30)8p(40)“p(1兀)8p8p(50)邙f2-n)cpoof4475)，呈现出明显的多组态特性A3态由一个2兀轨道电子激发到60轨道产生，有一个高于解离极限的势垒，它的两个势阱被一个大的势垒隔开(以下用A3n1表示A3态第一势阱，A32表示A3态第二势阱)c1态同样是由一个2兀轨道电子激发到60轨道产生，与A3的差别是60轨道上电子的自旋方向相反因此，A3态第一势阱与c1态第一势阱的见非常接近，在R。附近的能量也非常接近，这从图1插图中可以看出c1态也存在双势阱结构，

15、这可能是由于一个近简并的较高的1激发态存在且与之有强烈的相互作用而形成的，由于c1态第二势阱较浅，没有束缚振动能级，所以没有给出其光谱常数图l(网刊彩色)CF一离子的5个As态的势能曲线Fig1(color online)Potential energy curves of fiveAS electronic states of CF一表1 CF一离子5个AS态在R。附近的主要电子组态Table 1Main conflgurations of five AS electronic states for CFat Re0231013万方数据物理学报Acta PhysSinV0166，No2(20

16、17)023101据我们所知，目前还没有CF一离子光谱实验数据的报道，理论计算也仅限其基态X3一为了便于比较，表2列出了本文和前人研究得到的X3E一态光谱常数如表2所示，本文获得X3E一态的D。为27 eV，与Ricca等【19给出的267 eV较为符合我们得到的X3一态平衡核问距见为01431 nm，这与最近Xie等11和Ricca等19】计算获得的01434 nm的结果比较接近，比先前的计算值都要小15-1引并且我们得到X3E一态的u。，u。x。，B。和OL。等光谱常数与Hare等15报道的结果偏差在10以内此外，我们计算的X3一在忍处总能量为一137669857 au，这比此前已有报道中

17、的计算结果一13721199 a11和-13758766 au都要低1518，这是由于本文选取了更大的基函数并采用多参考组态方法，能有效地计算相关能39,40，使计算结果更加准确另外，计算获得的a1，b1+，A31(第一势阱)，A32(第二势阱)，c1第一势阱)的光谱常数(正，R。，u。，u。x。，B。，a。，D。)也列于表2中其中，A3态有两个势阱，均有12个振动能级c1也有两个势阱，第一个势阱有13个振动能级，第二势阱较浅，没有束缚振动能级表2 CF离子5个AS态的光谱常数Table 2Spectroscopic parameters of five AS electronic state

18、s32 AS态的电偶极矩计算CF一离子X3一，a1A，b1+，A3和c1态的EDM，并在图2中给出这5个态的EDM随核间距变化的曲线图2右上角的插图为5条曲线交汇处的放大图从图2可以得到，CF一离子X3一在R处的电偶极矩为130 auEDM的变化能很好地反映电子态电子结构的改变41基态X3一、第一激发态a1和第二激发态b1+这三个态的最外层分子轨道上均为2个2兀电子，但2兀轨道上的占据方式有所不同，故这三个态的EDM曲线变化趋势基本相同而对于a1A和b1+这两个主要MO组态完全相同的电子态，其EDM曲线几乎重合另外，0231014图2(网刊彩色)CF一离子的5个AS态的电偶极矩曲线Fig2(c

19、olor online)Electric dipole moments of five ASstates for CF一万方数据物理学报Acta PhysSinV0166，No2(2017)023101A3I和c1态的EDM曲线也有相同的变化趋势，均在R=0164 nm附近存在一个峰值这两个态的主要MO组态也基本相同，差别仅在于2兀电子的自旋方向相反，且这两个电子态均为双势阱结构，势能曲线走势也大致相同这表明具有相同电子组态的电子态的EDM变化规律相同随着核间距的增加，这5个电子态的EDM绝对值也一直增加，这也验证了CF一离子的第一、第二解离极限的解离产物是非中性的，即C原子与F一离子33跃迁

20、特性基于augCCpV5Zdk基组，采用MRCI计算A3一X3一跃迁的TDM，其随核间距变化的曲线如图3所示A3(u，)_X3E弋u)跃迁的FC因子及A3II态5个最低振动能级的辐射寿命丁通过LEVEL 80程序求解核运动的径向薛定谔方程得到，并分别在表3和表4中列出图3 A317一X3E一跃迁的跃迁偶极矩曲线Fig 3Transition dipole moments of A3II X3Esystem表3 A3(u，)_X3E(u”)跃迁的FC因子Table 3FC factors of A3(u 7)X3E一(V“)A3II态振动能级辐射寿命zas 16 122 091 061对于A3态

21、，在核间距0178 Bill附近分割为两个势阱 其中，A3态的平衡核间距臻为0126 nm，存在12个振动能级A3112态的见为0182 nlil，也有12个振动能级而基态X3一的风为0143 rim，与A3】态相差较大，故只有当A3II态振动能级较高时，其对应于XaE一(u=0)的FC因子才会较大从表3可以看出，A3fu，1_X3Efu)跃迁FC因子对角线值并不大，而FC因子的几个最大值分别为q20(0234)，q30(o254)和q40(0191)，印证了这一点x3一态与A32态之问的平衡核问距相差更大，它们的低振动态波函数没有重叠，因而它们之间的FC因子为0由图3也可以看出，在0143

22、0178 nm即X3一态平衡核间距到A3II态势垒这个范围内，A3一X3一的TDM值还比较高，但随核间距R的减小大幅减小：当R大于0178 nil时，A3一X3一的TDM值趋近于0，也说明了X3一态与A32态之问几乎无跃迁根据A3(7=0)_X3E一(V”=0)的TDM值，计算得到A3一x3一的振子强度。尼。为000346另外，还得到了A3的5个最低振动能级的辐射寿命丁，发现它们的辐射寿命均较长，达到微秒量级34 A3态的预解离A3态第一势阱和第二势阱各自平衡位置处的主要MO组分均为(50)口p(60)(2兀)“000其双势阱结构是由一个较高的3激发态通过非绝热耦合产生非绝热效应与之避免交叉而

23、形成39)4引0231015万方数据物理学报Acta PhysSinV0166，No2(2017)023101图4为A3态u=0，u=6，V：19及u=23振动能级及其波函数，插图为Aa态第二势阱的能级放大图从图4可以看出，A3态的第一势阱和第二势阱各有12个振动能级，且第二势阱的12个振动能级均位于第一势阱的第7能级fu=6)和第8能级(u=19)两个振动能级之间由于两个势阱之问并无能级交叉，第一势阱的振动波函数无法越过势垒穿越到第二势阱中42另外，Aa态的势垒位置明显高于其解离极限，以至于u=19以上的振动能级均高于解离极限，因而处于这些高振动能级的CF一可以发生预解离当分子处于A3第一势

24、阱较高的振动能级(u19)时，由于第一势阱的束缚，此时分子无法直接发生解离但由于第一势阱的振动束缚态与外部势阱的振动连续态重叠，分子有一定概率穿过势垒，无辐射跃迁到外部势阱对应的电子态解离区域，发生预解离41解离通道为A3II、一A32，解离产物为C(3P。)和F一(1S。)两个碎片原子图4中还可以看出A3态高振动能级的波函数(如：23)的振动频率比低振动能级的波函数(如蛾；】9)高得多，相应的振动周期更小，并且高振动能级与势垒分割出的面积也更小，因此根据(5)式可知其对应的平均解离寿命丁d将逐渐变小，相应的解离率吖将变大通过LEVEL 80程序计算得到A3态u=19到u=23振动能级的能级宽

25、度，代入(6)式中得到这5个能级的n，列于表5中从表5中可以看出，随着振动能级的增加，该振动能级的解离寿命急剧缩短，到u=23时丁d已经小于皮秒量级，表明其解离率极高图4 (网刊彩色)A3II态振动能级与波函数Fig4(color online)Vibrational levels and their wavefunctions for the A3H state表5 A3态5个预解离能级的解离寿命丁dTable 5Dissociation lifetimes of five predissociation levels for the A3state4结 论本文利用MRCIaug-ccpV5

26、Zdk研究了CF一离子的X3一，a1A，b1+，A3H和c1电子态，给出了a1A，b1+，A3和c1等激发态的光谱常数，获得的X3E一态R。和D。常数与之前的研究结果非常符合计算了这5个电子态的电偶极矩，发现电偶极矩变化能很好地反映电子组态成分变化规律给出了A3_X3一的TDM，FC因子、振子强度南。及A3n态5个最低振动能级的辐射寿命7-最后，对CF一离子A3态的预解离机理进行了分析，得到了预解离能级的解离寿命丁d参考文献1Morino I，Yamada K M T，Belov S P，Winnewisser G2000 AstrophysJ 532 37702310162Neufeld D

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40、 atoms and electronattachmentPotential energy curves(PECs)of five lowlying excited electronic states)X3一，a1，b1十，A。and C111of cF一，are calculated by using the internally contracted multireference configuration interaction(icMRcI)approachRovibrational levels of these electronic states are derived throu

41、gh solving the radial Schr6dinger ro-vibrational equation，and then the molecular parameters are obtained by fittingOur results for X3Eagree well with those in the references、Ve compute the electronic dipole moments(EDMs)of these states with different bound lengths，and analyze therelationship between

42、 the electronic configurations and EDMsThe electronic transition dipole moment matrix elements，Franck-Condon factors and oscillator strengths foo of A3IIX3Eare evaluated，and radiative lifetimes of five lowestvibrational levels of A3state are derivedFinally the predissociation mechanism of Aastate iS

43、 discussed in detail，and the dissociation lifetimes of high vibrational levels are obtainedKeywords：CFanion，spectroscopic parameters，configuration interaction，predissociationPACS：3115A，3110+z，3270Cs DOI：107498aps66023101Project is supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant N

44、o1 1504256)，the Open Funds of theKey Laboratory of Time and Frequency Primary Standards and the State Key Laboratory of Precision SpectroscopyChina，the Technological Innovation Programs of Higher Education Institutions in Shanxi，China(Grant Nos2014146，2015166)，and the Jincheng Programs for Science and Technology，China(Grant No120150100422)十Corresponding authorEmail：cllityusteduca0231018万方数据