SrH2分子在外电场作用下基态性质及激发特性研究

王路路　刘家兴　黄瑞　任海松　陈德良

摘要：采用密度泛函理论，以DGDZVP为基组，采用wB97XD方法研究了不同外电场（0～0.05 a.u.）对SrH₂分子基态几何结构、电荷布局、偶极矩、总能量、最高占据轨道（HOMO）能级、最低空轨道（LUMO）能级及能隙（Eg）、红外和拉曼光谱及电子激发特性的影响.研究结果显示：键长和偶极矩随外电场的增大而增大，键角、总能量、HOMO能级、LUMO能级和能隙随外电场的增大而减小，Sr原子正电性随外电场的增大而减弱，H原子负电性也随外电场的增大而减弱，红外和拉曼光谱在外电场的作用下都出现了红移，其强度也发生了明显的变化，前26个激发态激发能、振子波长和振子强度都随外电场变化而发生了比较复杂的变化，说明SrH₂分子光谱和激发特性均易受外电场的影响，这对材料的光学特性研究提供理论参考.

关键词：外电场; SrH₂; 基态; 激发特性

中图分类号：O561 文献标志码：A 文章编号：1001-8395（2023）05-0668-09

锶（Sr）元素广泛存在于土壤、海水中，是一种人体必需的微量元素，具有防止动脉硬化，防止血栓形成的功能，其在环境监测、地质结构形成与分析和人类健康等方面都受到学者的广泛关注[1-2].锶的化合物是制造电视荧光屏最重要的材料，另外Sr及其化合物在医学上也有广泛的应用，如利用其放射性用于检测人体骨骼异常位置，还可用于修补牙齿等，而锶氢化物具有较高质量的储氢能力，所以在工业生产、新兴材料、清洁能源、物理学等各方面都有着重要的地位和研究意义[3-4].

科学家们对锶及其氢化物物理性質的研究一直很感兴趣，例如：Mukherjee等[5]对阳离子锶氢化物团簇的密度泛函研究表明，锶比钙具有更明显的共价特性.Shi等[6]研究了锶氢化物阳离子（SrH+）低能电子态组态下的势能曲线、光谱常数和跃迁偶极矩等物理性质.Belayouni等[7]讨论了SrH+阳离子基态和多激发态的绝热和准绝热势能曲线及其光谱参数.Bytheway等[8]在1995年研究了SrH₂分子的能量和几何构型.Gridani等[9]研究SrH₂的弹性、电子和晶体结构等性质.然而，对SrH₂分子在外电场作用下的性质及其特性到目前为止还鲜见报道.

基于密度泛函理论（DFT）第一性原理的计算被广泛用来研究物质结构及性质，如Chang等[10]研究了压力作用下固体硝基甲烷的结构、电子和弹性性质.对物质的外界调控受到许多研究者的重视[11-14]，尤其是分子在外电场作用下的第一性原理研究，是一项具有意义的研究工作，分子在内电场与外电场相互作用会引起电子的偏移，从而发生物理或化学性质的变化.如李亚莎等[15]研究了外电场下C₅F₁₀O分子特性，表明C₅F₁₀O分子的稳定性随着电场的增大而降低，沿电场方向聚乙烯链端表现出亲核反应活性，它的C—C键更容易断裂，形成甲基碳负离子.Zhao等[16]研究表明外电场还能有效地改变SiC7单分子膜上吸附分子的电子和光学性质.杨涛等[17]研究外电场下甲醛的分子光谱与解离特性.因此，外电场下分子性质的研究具有重要的意义，且受到大量学者的关注[18-21].

本文采用密度泛函中wB97XD方法和DGDZVP基组对SrH₂分子进行结构优化，得到SrH₂基态分子的稳定构型，在z轴方向加上不同的电场（0～0.05 a.u.）来研究SrH₂分子键长（Sr—H）、键角（H—Sr—H）、总能量、偶极矩、电荷布局、最高占据轨道（HOMO）能级和最低空轨道（LUMO）能级及能隙（E_g）等随外电场的变化关系，研究外电场对SrH₂分子红外和拉曼光谱的影响，及前26个激发态的激发能、跃迁波长和振子强度与外电场的关系.

1理论与方法

2计算结果与讨论

2.1SrH₂分子基态几何结构

2.2SrH₂在外电场作用下的基态性质

2.3光谱特性与电子激发

3结论

本文采用密度泛函wB97XD/DGDZVP方法研究SrH₂分子基态性质、光谱特性和电子激发性质.发现外电场对SrH₂分子键长、键角、电荷布居、偶极矩、总能量、能隙、红外和拉曼光谱及其强度等都有显著的影响.研究表明：在z轴正向外电场作用下，SrH₂分子的键长变长，键角变小，偶极矩增大，总能量减小，能隙减小，Sr原子正电性和H原子负电性减弱.在外电场从0～0.05 a.u.变化过程中，红外和拉曼光谱均出现红移，红外光谱强度减弱，拉曼光谱强度增强，SrH₂分子前26个激发态的激发能、振子波长和振子强度都发生了明显的复杂的变化，因此，可以通过改变外电场来改变SrH₂分子的基态性质和控制SrH₂分子的光谱特性.该研究对SrH₂分子在医学、储氢能力和新材料制备具有一定的理论指导意义.

致谢贵州师范学院大学生科研项目（2020DXS083）对本文给予了资助，谨致谢意.

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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

（編辑 陶志宁）