Excitation energies from ground-state density-functionals by means of generator coordinates

The generator-coordinate method is a flexible and powerful reformulation of the variational principle. Here we show that by introducing a generator coordinate in the Kohn-Sham equation of density-functional theory, excitation energies can be obtained from ground-state density functionals. As a viability test, the method is applied to ground-state energies and various types of excited-state energies of atoms and ions from the He and the Li isoelectronic series. Results are compared to a variety of alternative DFT-based approaches to excited states, in particular time-dependent density-functional theory with exact and approximate potentials.

Photoreactions of n-alkyl-3-nitrophenyl ethers with aromatic amines in SDS micelles: A laser flash photolysis study

The quenching of the triplet state of three n-alkyl 3-nitrophenyl ethers: 3-nitroanisol (3-NA), n-butyl 3-nitrophenyl ether (3-NB) and n-decyl 3-nitrophenyl ether (3-ND) by four aniline derivatives: aniline (AN), N,N-dimethylaniline (DMA), 2,4,6-trimethylaniline (TMA), and 4-tetradecylaniline (TDA), was investigated in aqueous micellar SDS solutions by laser flash photolysis. The transient absorption spectra for 3-NA and 3-NB reveal the formation of long-lived intermediate species in the presence of all four quenchers. while for 3-ND no amine-induced intermediates are observed. Comparison of the transient absorption spectra of the probe 3-NA in the presence of DMA in aqueous and micellar solutions shows that the intermediate species are favored by the SDS micelles. With DMA and TMA as quenchers the intermediates are suggested to be the ion radicals generated by single electron transfer from the amine to the probe in the triplet excited state. For the quenchers AN and TDA, the intermediates may be a-complexes. The relative quenching efficiencies generally decrease as the affinity of the quencher for the micellar phase (AN < DMA < TMA < TDA) increases and the mobility of the excited probe (3-NA > 2-NB) decreases. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Photochemical Reactions of fac-[Mn(CO)(3)(phen)imidazole](+): Evidence for Long-Lived Radical Species Intermediates

The electronic absorption spectrum of fac[Mn(CO)(3)(phen)imH](+), fac-1 in CH(2)Cl(2) is characterized by a strong absorption band at 378 nm (epsilon(max) = 3200 mol(-1) L cm(-1)). On the basis of quantum mechanical calculations, the visible absorption band has been assigned to ligand-to-ligand charge-transfer (LLCT, im -> phen) and metal-to-ligand charge-transfer (MLCT, Mn -> phen) charge transfer transition. When fac-1 in CH(2)Cl(2) is irradiated with 350 nm continuous light, the absorption features are gradually shifted to represent those of the meridional complex mer-[Mn(CO)(3)(phen)imH](+), mer-1 (lambda(max) = 556 nm). The net photoreaction under these conditions is a photoisomerization, although, the presence of the long-lived radical species was also detected by (1)H NMR and FTIR spectroscopy. 355 nm continuous photolysis of fac-1 in CH(3)CN solution also gives the long-lived intermediate which is readly trapped by metylviologen (MV(2+)) giving rise to the formation of the one-electron reduced methyl viologen (MV(center dot+)). The UV-vis spectra monitored during the slow (45 min) thermal back reaction exhibited isosbestic conversion at 426 nm. On the basis of spectroscopic techniques and quantum mechanical calculations, the role of the radicals produced is analyzed.

Molecular orbital calculations of two-electron states for P-donor solid-state spin qubits

We theoretically study the Hilbert space structure of two neighboring P-donor electrons in silicon-based quantum computer architectures. To use electron spins as qubits, a crucial condition is the isolation of the electron spins from their environment, including the electronic orbital degrees of freedom. We provide detailed electronic structure calculations of both the single donor electron wave function and the two-electron pair wave function. We adopted a molecular orbital method for the two-electron problem, forming a basis with the calculated single donor electron orbitals. Our two-electron basis contains many singlet and triplet orbital excited states, in addition to the two simple ground state singlet and triplet orbitals usually used in the Heitler-London approximation to describe the two-electron donor pair wave function. We determined the excitation spectrum of the two-donor system, and study its dependence on strain, lattice position, and interdonor separation. This allows us to determine how isolated the ground state singlet and triplet orbitals are from the rest of the excited state Hilbert space. In addition to calculating the energy spectrum, we are also able to evaluate the exchange coupling between the two donor electrons, and the double occupancy probability that both electrons will reside on the same P donor. These two quantities are very important for logical operations in solid-state quantum computing devices, as a large exchange coupling achieves faster gating times, while the magnitude of the double occupancy probability can affect the error rate.

Ni(II)-doped CsCdBrCl2: Variation of spectral and structural properties via mixed-halide coordination

A new addition to the family of single-molecule magnets is reported: an Fete cage stabilized with benzoate and pyridonate ligands. Monte Carlo methods have been used to derive exchange parameters within the cage, and hence model susceptibility behavior.

Pi*-pi* bonding interactions generated by halogen oxidation of zirconium(IV) redox-active ligand complexes.

The new complex, [Zr(pda)2]n (1, pda2- = N,N'-bis(neo-pentyl)-ortho-phenylenediamide, n = 1 or 2), prepared by the reaction of 2 equiv of pdaLi2 with ZrCl4, reacts rapidly with halogen oxidants to afford the new product ZrX2(disq)2 (3, X = Cl, Br, I; disq- = N,N'-bis(neo-pentyl)-ortho-diiminosemiquinonate) in which each redox-active ligand has been oxidized by one electron. The oxidation products 3a-c have been structurally characterized and display an unusual parallel stacked arrangement of the disq- ligands in the solid state, with a separation of approximately 3 A. Density functional calculations show a bonding-type interaction between the SOMOs of the disq- ligands to form a unique HOMO while the antibonding linear combination forms a unique LUMO. This orbital configuration leads to a closed-shell-singlet ground-state electron configuration (S = 0). Temperature-dependent magnetism measurements indicate a low-lying triplet excited state at approximately 750 cm-1. In solution, 3a-c show strong disq--based absorption bands that are invariant across the halide series. Taken together these spectroscopic measurements provide experimental values for the one- and two-electron energies that characterize the pi-stacked bonding interaction between the two disq- ligands.

Electron capture and emission by the Ti acceptor level in GaP

Previously reported results on deep level optical spectroscopy, optical absorption, deep level transient spectroscopy, photoluminescence excitation, and time resolved photoluminescence are reviewed and discussed in order to know which are the mechanisms involved in electron capture and emission of the Ti acceptor level in GaP. First, the analysis indicates that the 3T1(F) crystal¿field excited state is not in resonance with the conduction band states. Second, it is shown that both the 3T2 and 3T1(F) excited states do not play any significant role in the process of electron emission and capture.

Growth, optical characterization, and laser operation of a stoichiometric crystal KYb(WO4)(2)

We present our recent achievements in the growing and optical characterization of KYb(WO4)2 (hereafter KYbW) crystals and demonstrate laser operation in this stoichiometric material. Single crystals of KYbW with optimal crystalline quality have been grown by the top-seeded-solution growth slow-cooling method. The optical anisotropy of this monoclinic crystal has been characterized, locating the tensor of the optical indicatrix and measuring the dispersion of the principal values of the refractive indices as well as the thermo-optic coefficients. Sellmeier equations have been constructed valid in the visible and near-IR spectral range. Raman scattering has been used to determine the phonon energies of KYbW and a simple physical model is applied for classification of the lattice vibration modes. Spectroscopic studies (absorption and emission measurements at room and low temperature) have been carried out in the spectral region near 1 µm characteristic for the ytterbium transition. Energy positions of the Stark sublevels of the ground and the excited state manifolds have been determined and the vibronic substructure has been identified. The intrinsic lifetime of the upper laser level has been measured taking care to suppress the effect of reabsorption and the intrinsic quantum efficiency has been estimated. Lasing has been demonstrated near 1074 nm with 41% slope efficiency at room temperature using a 0.5 mm thin plate of KYbW. This laser material holds great promise for diode pumped high-power lasers, thin disk and waveguide designs as well as for ultrashort (ps/fs) pulse laser systems.

Líquido iônico [bmim.PF6] como solvente: um meio conveniente para estudos por fotólise por pulso de laser

The spectroscopic behavior of thioxanthone and benzil (diphenylethanedione or dibenzoyl) in the ionic liquid [bmim.PF6] has been investigated employing the laser flash photolysis technique. Triplet-triplet absorption spectra for these carbonyl compounds in [bmim.PF6] are similar to those observed in organic solvents. The triplet lifetime for thioxanthone in desogygenated samples is very long (71 μs), whereas in oxygen-saturated solution is 500 ns, which indicates the low oxygen solubility in this solvent. For benzil, lifetimes of 10 μs in [bmim.PF6] and 3.8 μs in acetonitrile were obtained. The decay for triplet thioxanthone and benzil follows a clear first order kinetics in [bmim.PF6], from which one can conclude that triplet-triplet annihilation is not an important decay process in this solvent.

Photon Upconverting Nanophosphors: Unique Reporters for Optical Biosensing

Upconversion photoluminescence is a unique property of mostly certain inorganic materials, which are capable of converting low-energy infrared radiation into a higher-energy emission at visible wavelengths. This anti-Stokes shift enables luminescence detection without autofluorescence, which makes the upconverting materials a highly suitable reporter technology for optical biosensing applications. Furthermore, they exhibit long luminescence lifetime with narrow bandwidths also at the optical window of biomaterials enabling luminescence measurements in challenging sample matrices, such as whole blood. The aim of this thesis was to study the unique properties and the applicability of nano-sized upconverting phosphors (UCNPs) as reporters in biosensing applications. To render the inorganic nanophosphors water-dispersible and biocompatible, they were subjected to a series of surface modifications starting with silica-encapsulation and ending with a bioconjugation step with an analyte-recognizing biomolecule. The paramagnetism of the lanthanide dopants in the nanophosphors was exploited to develop a highly selective separation method for the UCNP-bioconjugates based on the magnetic selectivity of the high gradient magnetic separation (HGMS) system. The applicability of the nano-sized UCNPs as reporters in challenging sample matrices was demonstrated in two homogeneous sensing applications based on upconversion resonance energy transfer (UC-RET). A chemosensor for intracellular pH was developed exploiting UC-RET between the UCNP and a fluorogenic pH-sensitive dye with strongly increasing fluorescence intensity in decreasing pH. The pH-independent emission of the UCNPs at 550 nm was used for referencing. The applicability of the pH-nanosensor for intracellular pH measurement was tested in HeLa cells, and the acidic pH of endosomes could be detected with a confocal fluorescence microscope. Furthermore, a competitive UC-RET-based assay for red blood cell folic acid was developed for the measurement of folate directly from a whole blood sample. The optically transparent window of biomaterials was used in both the excitation and the measurement of the UC-RET sensitized emission of a near-infrared acceptor dye to minimize sample absorption, and the anti-Stokes detection completely eliminated the Stokes-shifted autofluorescence. The upconversion photoluminescence efficiency is known to be dependent on crystallite size, because the increasing surface-to-volume ratio of nano-sized UCNPs renders them more susceptible to quenching effects of the environment than their bulk counterpart. Water is known to efficiently quench the luminescence of lanthanide dopants. In this thesis, the quenching mechanism of water was studied using luminescence decay measurements. Water was found to quench the luminescence of UCNPs by increasing the non-radiative relaxation of the excited state of Yb3+ sensitizer ion, which had a very strong quenching effect on upconversion luminescence intensity.

Analysis Of The A11a22 X 11a11 And A 33a22 X 1 electronic transitions in selenocarbonyl difluoride

The absorption spectrum of F2CSe in the 18800-21900 cm-1 region has been recorded at -770 C and 220 C under the conditions of medium resolution. The responsible electronic promotion is TI* + n excitation which leads to 3A2 and lA2 excited states. Progressions in vI', v2', v3" v4' and v4" have been identified in the spectrum and have been analyzed in terms of vibronic transitions between a planar ground state and a nQnplanar excited state. The - 3 - 1 - 1 - 1 origins of the a A2 + X Al and A A2 + X Al systems were assigned to the bands at 19018 cm-l and 19689 cm-l . This has given a singlet-triplet splittl. n g lA2 - 3A2 P f 671 cm -1 The out-of-plane wagging levels were found to be anharmonic. 1 -1 Barrier heights of 2483 cm- and 2923 cm were obtained for the lA2 and 3A2 upper states from a fitting of the energy levels of a Lorentzian-quadratic function to the observed levels in the out-of-plane wagging modes. 1 3 For the A2 and A2 states nonplanar equilibrium angles of 30.10 and 31.40 have been evaluated respectively. i

Synthesis, properties and characterization of N-Alkyl substituted b-Diketiminato copper(I) Complexes

Le ligand nacnacxylH (xyl = C6Me2H3) et les ligands dikétimines N-alkyle substitués (nacnacCH(Me)PhH, nacnacBnH and nacnaciPrH) ont été préparés avec de bons rendements à l’exception du nacnaciPrH (23%) en utilisant un protocole en une étape et à l’aide d’un montage Dean-Stark. La réaction du S,S-nacnacCH(Me)PhH et du nacnacBnH avec le nBuLi dans le THF conduit au S,S-nacnacCH(Me)PhLi(THF) et au nacnacBnLi(THF). Les tentatives de bromation de ces composés par le N-bromosuccinimide conduisent plutôt aux ligands S,S-succnacnacCH(Me)PhH et succnacnacBnH (succ = succinimido) substitués par un groupement succinimido sur le carbone  La chloration par le N-chlorosuccinimide conduit au produit désiré, mais avec des impuretés. La réaction de ces ligands avec le CuOtBu (ou bien MesCu, où Mes = C6Me3H2, et une quantité catalytique de CuOtBu) en présence de bases de Lewis donne les (nacnacxylCu)2(-toluène), nacnacxylCuCNC6H3(Me)2, nacnacCH(Me)PhCuL (L = PPh3, PMe3, CNC6H3(Me)2, DMAP, lutidine, Py, MeCN), nacnacBnCuL (L = PPh3, CNC6H3(Me)2, styrène, trans-stilbene, phenylvinylether, acrylonitrile, diphenylacetylène), nacnaciPrCuL (L = PPh3, CNC6H3(Me)2, MeCN) et le succnacnacCH(Me)PhCuL (PPh3, CNC6H3(Me)2, pyridine). Tous ces complexes sont jaunes et sensibles à l’air et à l’humidité. En l’absence de fortes bases de Lewis, on n’observe pas de réaction entre les précurseurs de cuivre et les ligands N-alkyle substitués. Les études RMN des complexes dans le C6D6 ne présentent pas de complexe de toluène mais un mélange à l’équilibre du (nacnacxylCu)2(-C6D6) et nacnacxylCu(C6D6) dans une proportion de 2 pour 1. Alors que l’addition de plus de cinquante équivalents soit de THF, soit de toluène n’induit aucun changement des spectres RMN, l’addition de 2 équivalents de MeCN conduit instantanément au complexe nacnacxylCu(MeCN). De plus, le (nacnacxylylCu)2(-C6D6) ne se coordone ni ne réagit avec le N2O, même après avoir été chauffé à 60°C pendant treize jours. En présence de DPA (diphenylacétylène), la réaction du nacnacBnH avec le CuOtBu conduit au dimère ponté (nacnacBnCu)2(µ-DPA). L’addition d’un excès de DPA (10-12 équivalents) transforme le dimère ponté en complexe lié en position terminale nacnacBnCuDPA. Les nacnacRH (R = CH(Me)Ph et i-Pr) ne forment pas de complexe ni avec les oléfines ni avec le DPA. Une réactivité similaire a été observée avec les complexes de nacnacCH(Me)PhCu(NCMe) et nacnaci-PrCu(NCMe). Tandis que le complexe lié en position terminale par MeCN a été isolé et caractérisé, l’équilibre en solution nous laisse suspecter la formation d’un complexe d’acétonitrile ponté. Des études de réactivité comparatives ont été menées sur quelques complexes de cuivre. La Morpholine ne réagit pas avec le nacnacBnCu(acrylonitrile) contrairement à l’acrylonitrile libre. L’expérience de l’échange d’oléfine montre que l’acrylonitrile (une oléfine électro-attractrice) se lie plus fortement que les autres oléfines, mettant ainsi en évidence l’importance de la rétrodonation  face à la donation La rétrodonation est cependant faible comparée aux autres complexes de styrène structurellement caractérisés. Les complexes nacnacCH(Me)PhCuL (L = PPh3 et MeCN) ont été employés dans la cyclopropanation catalytique du styrène et dans l’addition conjuguée du ZnEt2 sur la 2-cyclohexénone, mais les résultats indiquent que le ligand dikétimine est éliminé avant son entrée dans le cycle catalytique. Par conséquent, il n’y a pas d’induction chirale. Les complexes tétra coordinées de cuivre avec les nacnacRCu(phen) (R = Bn, CH(Me)Ph et Phen = 1,10-phenanthroline, 2-Mes-1,10-phenanthroline, 2,9-dimethyl-1,10-phenanthroline (dmp) et 2,9-diphenyl-1,10-phenanthroline (dpp)) ont été synthétisés. Ces complexes sont d’une intense couleur bleue et des interactions d’empilement entre l’un des cycles phényle des ligands nacnac et la phénanthroline ont été observées dans les structures à l’état solide. Les mesures en absorption UV-visible ont été effectuées dans le toluène et les bandes MLCT sont déplacées vers le rouge par rapport à celles des complexes de cuivre et bisphénanthroline. Tous ces composés émettent à l’état solide mais les complexes 1,10-phenanthroline et 2-Mes-1,10-phenanthroline n’émettent pas en solution. Pour renforcer les interactions d’empilement , les nouveaux ligands nacnacRH (R = CH2C6H2(OMe)3, CH2C6F5) et leurs complexes de cuivre respectifs ont été préparés avec du dmp et dpp. Afin de permettre la comparaison, le nacnaciBuCu(dmp) a été synthétisé. Alors que les complexes dmp montrent une augmentation des interactions intramoléculaires - avec les substituants phényle du ligand dikétimine et de la phénanthroline, les complexes dpp ne révèlent pas de telles interactions. Les complexes perfluorés montrent, en absorption et en émission, un déplacement significatif vers le bleu, alors que les complexes substitués par un groupements isobutyle présentent des transitions déplacées vers le rouge. Alors que les intensités de luminescence et les durées de vie sont faibles, les déplacements réduits de Stokes et les pics étroits de luminescence comparables indiquent une réduction des distorsions de l’état excité.

Polymères de coordination et éponge cristalline : de nouveaux matériaux pour la conversion de l’énergie solaire et la résolution de la structure cristalline de composés huileux.

Le premier volet de ce travail portera sur l’expérience acquise lors d’un stage d’étude à Tokyo, au Japon, dans le groupe de recherche du Pr. Makoto Fujita, une sommité d’envergure internationale dans le domaine de l’auto-assemblage. En continuité avec les plus récents travaux du Pr. Fujita, des systèmes poreux auto-assemblés présentant des cavités fonctionnalisées ont été développés dans le but d’encapsuler des acides gras afin d’en déterminer la structure cristalline. Ces éponges ont été caractérisées par des techniques courantes telles que la spectroscopie à résonance magnétique nucléaire 1H, 13C{1H} et Cosy, la spectrométrie de masse, l’analyse élémentaire, la microscopie optique infrarouge ainsi que la diffraction des rayons X. Une autre approche employée pour obtenir de meilleures propriétés spectroscopiques fut la synthèse de dendrimères métalliques de génération 0. Un nouveau ligand de type 1,3,5-triazine a été synthétisé par une réaction typique de cyclisation de nitrile en présence catalytique d’hydrure de sodium. Des espèces mono-, bis- et trinucléaire de Ru(II) furent synthétisés ainsi que deux espèces hétérométalliques de Ru(II)/Pt(II) et de Ru(II)/Os(II). Tous les complexes obtenus furent caractérisés par spectroscopie à résonance magnétique nucléaire (1H, 13C{1H} et Cosy) à l’état liquide, par spectroscopie de masse à haute résolution et par analyse élémentaire. La génération de dihydrogène à partir de l’espèce hétérométallique a été étudiée. Les propriétés optiques et électroniques ont été analysées par spectroscopie UV-Vis, par analyse de la luminescence, du temps de vie de luminescence, par des analyses de rendement quantique ainsi que par des analyses de voltampérométrie cyclique à balayage. Finalement, dans le but d’améliorer les propriétés spectroscopiques d’absorption de complexes métalliques, nous avons synthétisé une série de polymères homo- et hétérométalliques, intégrant des ligands de type bis(2,2’:6,2’’-terpyridine). Les complexes générés furent caractérisés par diverses techniques tel que la spectroscopie à résonance magnétique nucléaire (1H, 13C{1H} et Cosy) à l’état liquide, par spectroscopie de masse à haute résolution ainsi que par analyse élémentaire. Les propriétés optiques et électroniques ont été analysées par spectroscopie UV-Vis, par analyse de la luminescence, du temps de vie de luminescence, par des analyses de rendement quantique ainsi que par des analyses de voltampérométrie cyclique à balayage.

Signature optique d’effet Stark dans une bicouche de CuPc:C60

Les hétérojonctions formées de deux matériaux, un donneur et un accepteur (D/A), sont la base de la majorité des mélanges photovoltaïques organiques. Les mécanismes de séparation des charges dans ces systèmes représentent aujourd'hui l'un des sujets les plus chauds et les plus débattus dans ce domaine. Nous entrons au coeur de ce débat en choisissant un système D/A à base de phtalocyanine de cuivre (CuPc) et de fullerène (C60). Pour sonder les états excités de nos molécules et obtenir de l'information sur les phénomènes à l'interface D/A, nous réalisons une expérience pompe-sonde, appelée absorption photoinduite (PIA). Nous y mesurons le changement fractionnaire de transmission au travers de l'échantillon. Les mesures de PIA sont réalisées à l'état de quasi équilibre, à T=10K. Nous observons une modulation prononcée dans la région du photoblanchiment de l'état fondamental qui nous indique que la pompe induit un décalage du spectre d'absorption de l'état fondamental. Ce décalage peut être expliqué par deux processus : soit l'échantillon est chauffé par la pompe (effet thermique) ou bien des charges sont créées à l'interface entre les deux matériaux (effet Stark). La dépendance en température du spectre d'absorption entre 10K et 290K montre une signature thermique pour un changement de température de 80K. Grâce au ratio des raies Raman anti-Stokes et Stokes, nous démontrons que la pompe chauffe l'échantillon de 34 K, température insuffisante pour attribuer notre signal à un effet thermique. Nous évaporons ensuite la bicouche CuPc/C60 sur de l'ITO et du saphir, substrats qui possèdent des conductivités thermiques différentes et nous observons le même signal de PIA, excluant par le fait même l'hypothèse de l'effet thermique. Puisque notre étude est comparable à la spectroscopie à effet Stark, nous procédons à une analyse similaire en comparant notre signal de PIA au spectre de la transmittance et à ses dérivés première et seconde. Nous observons alors que notre signal reproduit presque parfaitement la dérivée seconde de la transmittance. Ces résultats sont conformes à une signature optique d'effet Stark due à la création de charges à l'interface D/A.

Excitation wavelength dependent fluorescence behaviour of nano colloids of ZnO

In this paper, the fluorescence behaviour of nano colloids of ZnO has been studied as a function of the excitation wavelength. We have found that excitation at the tail of the absorption band gives rise to an emission that shifts with the change of the excitation wavelength. The excitation wavelength dependent shift of the fluorescence maximum is measured to be between 60 and 100 nm. This kind of excitation wavelength dependent fluorescence behaviour, which may appear to be in violation of Kasha’s rule of excitation wavelength independence of the emission spectrum, has been observed for nano ZnO colloids prepared by two different chemical routes and different capping agents. It is shown that the existence of a distribution of energetically different molecules in the ground state coupled with a low rate of the excited state relaxation processes, namely, solvation and energy transfer, are responsible for the excitation wavelength dependent fluorescence behaviour of the systems.