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第三章 研究結果與討論

第四節 模擬光電子光譜

本研究首先利用Gaussian 09 套裝軟體,分別計算出CH2F2以及CD2F2分子、正離子 及三種激發態離子的最佳化平衡結構、諧和振動頻率以及正規振動模式後,再利用張嘉 麟教授2013年【34】發表的「任意維度諧和振子FCI計算公式」,進行CH2F2以及CD2F2

分子的光電子光譜模擬計算。

(一) S因子計算結果

利用本章第一、二節所計算出的平衡結構及振動頻率,能計算出每個振動模式的S 因子:

 

 

( Q )

2

S

每個振動模式躍遷機率最大的振動量子數v,會與S值接近。以CH2F2+(X)基態正離子相 對於CH2F2分子之S因子為例說明之(整理於表3.4.1):二氟甲烷電離成正離子基態在 四種計算基組中,ν2的S值約為2.01,代表ν2振動模式(CH2彎曲)的最強的光電子訊 號可能對應於v = 2的躍遷;而ν3的S值為1.17,代表ν3振動模式(CF2對稱伸縮)最強 的光電子訊號可能對應於v = 1的躍遷,而由於非全對稱模式ν5~ν9的結構變化

Q =

0,所以其S值皆為0,因此這些模式最強的訊號皆出現在v = 0的躍遷。

因 為 在 不 同 計 算 基 組 下 所 得 到 的 S 因 子 差 異 不 大 , 因 此 我 們 僅 將

B3LYP/

aug-cc-pVTZ為計算基組所計算的S因子數據整理於表3.4.2,來說明電子從分子躍遷到不 同激發離子態的主要振動模式。從表3.4.2呈現的結果可發現:電子從CH2F2分子躍遷到

激發態CH2F2+

(A)時,ν4的振動模式(CF2彎曲)S值約為9.83,表示此模式的位移頗大,

最強的躍遷會出現在v = 10附近,而ν3的S約為1.54,此模式最強的躍遷會出現在v = 1 或v = 2;電子從CH2F2分子躍遷到激發態CH2F2+

(B)時,ν4的振動模式(CF2彎曲)最 強,其次為ν2的振動模式;電子從CH2F2分子躍遷到激發態CH2F2+

(C)時,ν3的振動模 式(CF2對稱伸縮)最強,其次為ν4的振動模式。

表3.4.1 在不同計算基組下CH2F2+(X)基態正離子相對於CH2F2分子之S因子

模式

B3LYP/

aug-cc-pVTZ

B3LYP/

cc-pVTZ

B3PW91/

aug-cc-pVTZ

B3PW91/

cc-pVTZ

ν1

0.65008 0.62593 0.66697 0.64612

ν2

2.03137 1.97201 2.04837 2.00216

ν3

1.18325 1.13214 1.20937 1.16780

ν4

0.02201 0.01913 0.03051 0.02988

ν5

0.00000 0.00000 0.00000 0.00000

ν6

0.00000 0.00000 0.00000 0.00000

ν7

0.00000 0.00000 0.00000 0.00000

ν8

0.00000 0.00000 0.00000 0.00000

ν9

0.00000 0.00000 0.00000 0.00000

表3.4.2 不同激發態離子相對於CH2F2分子之S因子計算結果

模式 CH2F2+(A) CH2F2+(B) CH2F2+(C) ν1 0.00352 0.08227 0.00201 ν2 0.09788 0.40936 0.04763 ν3 1.53801 0.00547 1.62115 ν4 9.83032 2.18851 0.60447

ν5

0.00000 0.00000 0.00000

ν6

0.00000 0.00000 0.00000

ν7

0.00000 0.00000 0.00000

ν8

0.00000 0.00000 0.00000

ν9

0.00000 0.00000 0.00000

(二) CH2F2電離成離子態之法蘭克-康登因子

我們根據計算出的平衡結構和振動頻率來計算兩個電子態之間的法蘭克-康登因 子(FCF),FCF數值越大,表示兩電子態之間的躍遷機率越大,反之則表示躍遷機率 越小。本研究利用四種不同方法計算CH2F2分子電離成正離子基態及三種正離子激發態 的法蘭克-康登因子的結果整理於表3.4.3~表3.4.6。且由表所列的數值可知,除了

CH2F2分子電離成CH2F2+

(B)離子激發態時在不同計算方法下求出的法蘭克-康登因子

(FCF)數值差異較大外,其餘激發態在不同計算基組下所得到的FCF數值差異皆不大。

表3.4.3為CH2F2分子電離成CH2F2+

(X)正離子的法蘭克-康登因子計算結果,四種

計算基組皆以2131的FCF數值最大,皆具相同的躍遷振動模式。以B3LYP/aug-cc-pVTZ

為計算基組的結果為例子說明之:表3.4.3顯示振動躍遷主要集中在ν2單一振動模式、ν1

+ ν2組合的振動模式、ν2+ ν3組合的振動模式、ν1+ν2+ν3組合的振動模式等,而四種 以上振動模式組合的躍遷訊號較弱。其中ν2+ν3為主要貢獻的振動躍遷模式,FCF值較 大,依序為0.05090、0.04892,位於2290 cm-1、3343 cm-1,分別標定為2131、2231躍遷訊 號;在ν2單一振動模式中,FCF最大值為0.04659,位於1053 cm-1,標定為21躍遷訊號;

在ν1+ ν2組合的振動模式中,其FCF值為0.03073,位於4586 cm-1,標定為1122躍遷訊號;

在ν1+ν2+ν3合成的振動模式中,FCF最大值為0.03481,位於5822 cm-1,標定為112231 躍遷訊號。此2B1離子狀態的訊號躍遷主要貢獻為ν2和ν3振動模式與Pradeep等人【14】的 推論相同,而與Brundle等人【14】認為主要是ν2振動模式躍遷的標定不同。

表3.4.3 在不同計算基組下CH2F2

分子電離成正離子基態CH

2F2+

(X)的FCF

cm-1 FCFa Assignment cm-1 FCFb Assignment 1053 .04659 21 1055 .05162 21 2107 .04323 22 2109 .04643 22 4586 .03073 1122 4592 .03196 1122 2290 .05090 2131 2294 .05418 2131 3526 .03072 2132 3533 .03141 2132 3343 .04892 2231 3349 .05045 2231 4579 .03046 2232 4588 .03015 2232 4769 .03220 112131 4777 .03316 112131

5822 .03481 112231 5831 .03476 112231 cm-1 FCFc Assignment cm-1 FCFd Assignment 1047 .04410 21 1049 .04787 21 2094 .04177 22 2099 .04428 22 4591 .02997 1122 4598 .03092 1122 2301 .04937 2131 2306 .05195 2131 3556 .03049 2132 3563 .03108 2132 3349 .04797 2231 3355 .04926 2231 4603 .03031 2232 4612 .03013 2232 4798 .03167 112131 4805 .03241 112131 5845 .03472 112231 5854 .03470 112231 a計算基組:B3LYP/ aug-cc-pVTZ,列出FCF>0.03。

b 計算基組:B3LYP/cc-pVTZ,列出 FCF>0.03。

c計算基組:B3PW91/ aug-cc-pVTZ,列出FCF>0.029。

d計算基組:B3PW91/cc-pVTZ,列出FCF>0.03。

表3.4.4為CH2F2分子電離成CH2F2+

(A)正離子態的法蘭克-康登因子計算結果。由

表3.4.4得知在不同計算基組下所得到的結果差異不大,其振動躍遷皆主要集中在ν3+ν4

組合的振動模式。以B3LYP/ aug-cc-pVTZ基組為例,其FCF最大值為0.03776,位於5572 cm-1,標訂為3149躍遷訊號。其餘依訊號強弱分別標定為31410、3148、31411、3249、3147、 32410、3248等躍遷訊號。

表3.4.4 在不同計算基組下CH2F2分子電離成離子激發態CH2F2

(A)的FCF

cm-1 FCFa Assignment cm-1 FCFb Assignment 4569 .02875 3147 4551 .02843 3147 5071 .03397 3148 5050 .03319 3148 5572 .03776 3149 5548 .03640 3149 6073 .03646 31410 6046 .03463 31410 6574 .03186 31411 6545 .02977 31411 6131 .02654 3248 6113 .02758 3248 6632 .02881 3249 6611 .02955 3249 7133 .02802 32410 7110 .02832 32410

cm-1 FCFc Assignment cm-1 FCFd Assignment 4645 .02659 3147 4618 .02753 3147 5153 .03247 3148 5123 .03287 3148 5662 .03734 3149 5627 .03690 3149 6171 .03733 31410 6132 .03594 31410 6679 .03377 31411 6636 .03163 31411 6238 .02458 3248 6210 .02623 3248 6747 .02763 3249 6714 .02878 3249 7256 .02784 32410 7219 .02826 32410 a計算基組:B3LYP/ aug-cc-pVTZ,列出FCF>0.026。

b計算基組:B3LYP/cc-pVTZ,列出FCF>0.026。

c計算基組:B3PW91/ aug-cc-pVTZ,列出FCF>0.024。

d計算基組:B3PW91/cc-pVTZ,列出FCF>0.026。

表3.4.5為CH2F2分子電離成CH2F2

(B)正離子態的法蘭克-康登因子計算結果。由

表3.4.5得知FCF計算中,利用B3LYP或B3PW91計算方法,雖然結果皆顯示具有絕熱躍 遷(標定為00),且躍遷訊號的頻率相近,又ν4為主要貢獻的振動模式,皆以42的FCF 數值最大,標定為42躍遷訊號。但此兩種計算方法的FCF數值差異較大,以B3PW91方 法得到的FCF值約為B3LYP方法的兩倍。躍遷的振動模式也有顯著不同,其中利用

B3LYP的兩組基組計算發現,其振動躍遷皆主要集中在ν2+ν4組合的振動模式、ν4單一 振動模式,以及ν4+ν9組合的振動模式等;而以 B3PW91的兩組基組計算發現,其振動 躍遷主要集中在 ν4單一振動模式、ν2+ν4合成的振動模式,而ν4+ν9組合的振動模式的

FCF值較另一計算方法小,其躍遷訊號較弱。

表3.4.5 在不同計算基組下CH2F2分子電離成離子激發態CH2F2+

(B)的FCF

cm-1 FCFa Assignment cm-1 FCFb Assignment

0 .02623 00 0 .02192 00

454 .06338 41 457 .05206 41 909 .07162 42 913 .05770 42 1363 .05010 43 1370 .03949 43 1848 .02717 214,1 1854 .02383 214,1 2303 .03015 2142 2311 .02596 2142 562 .02626 4192 528 .02303 4192 1017 .02968 4292 985 .02553 4292

cm-1 FCFc Assignment cm-1 FCFd Assignment

0 .04667 00 0 .04614 00

461 .11567 41 463 .11457 41 921 .13438 42 925 .13322 42 1382 .09693 43 1388 .09609 43 1843 .04843 44 1851 .04795 44 1851 .05140 2141 1856 .05333 2141 2312 .05873 2142 2319 .06105 2142 2772 .04160 2143 2782 .04328 2143 a計算基組:B3LYP/ aug-cc-pVTZ,列出FCF>0.026。

b計算基組:B3LYP/cc-pVTZ,列出FCF>0.021。

c計算基組:B3PW91/ aug-cc-pVTZ,列出FCF>0.04。

d計算基組:B3PW91/cc-pVTZ,列出FCF>0.04。

表3.4.6為CH2F2分子電離成CH2F2+

(C)正離子態的法蘭克-康登因子計算結果。由

表3.4.6發現,CH2F2分子電離成CH2F2+

(C)正離子的法蘭克-康登因子在兩種基組計算

下,振動躍遷皆主要集中在ν3單一振動模式、ν4單一振動模式以及ν3+ν4組合的振動模 式,並包括標定為00的絕熱躍遷。以B3LYP/aug-cc-pVTZ為例說明:從表列結果可知主 要振動躍遷為ν3單一振動模式,其FCF為最大值,依數值大小表示為0.12982、0.10308、

0.05040,位於981 cm-1、1962 cm-1、2943 cm-1,分別標定為31、32、33躍遷訊號;ν4單一 振動模式的FCF數值為0.04778,位於459 cm-1,標定為41躍遷訊號;ν3+ν4組合的振動模

認為此2A2狀態的訊號躍遷是由於ν3振動模式貢獻,而Brundle等人【9】認為是ν3和ν4振 動模式貢獻,可知本研究結果與前述實驗結論相符。

表3.4.6 在不同計算基組下CH2F2分子電離成離子激發態CH2F2(C)的FCF cm-1 FCFa Assignment cm-1 FCFb Assignment

0 .07612 00 0 .07113 00 981 .12982 31 984 .12763 31 1962 .10308 32 1968 .10673 32 2943 .05040 33 2953 .05503 33 459 .04778 41 460 .04432 41 1440 .08298 3141 1444 .08092 3141 2421 .06717 3241 2429 .06893 3241 3402 .03352 3341 3413 .03624 3341 a計算基組:B3LYP/ aug-cc-pVTZ,列出FCF>0.03。

b計算基組:B3LYP/cc-pVTZ,列出FCF>0.03。

(三) CD2F2電離成離子態之法蘭克-康登因子

本研究利用B3LYP/ aug-cc-pVTZ基組計算CD2F2分子電離成正離子基態及三種正離 子激發態的法蘭克-康登因子的結果整理於表3.4.7、表3.4.8。

從表3.4.7發現,CD2F2分子電離成正離子基態CD2F2+

(X)的振動躍遷主要集中在ν

2

單一振動模式、ν +ν 組合振動模式、ν +ν 組合振動模式以及ν +ν +ν 組合振動模式

等。其中ν1+ν2+ν3組合的振動模式為主要貢獻躍遷訊號,FCF為最大值,以大小依序為

0.04109、0.03615、0.02778,位於3792 cm-1、4556 cm-1、4987 cm-1,分別標定為112131

112231、112131躍遷;在ν2單一振動模式的FCF值為0.02785,位於765 cm-1,標定為21躍遷 訊號;在ν1+ν2組合的振動模式中,FCF最大值為0.03280,位於2596 cm-1,標定為1121 躍遷訊號;在ν2+ν3的振動模式中,其FCF最大值為0.03299,位於1960 cm-1,標定為2131 躍遷訊號。

表 3.4.7 也呈現出 CD2F2分子電離成 CD2F2

(A)的振動躍遷主要集中在兩種振動模

式:ν4單一振動模式,以及ν2+ν4組合的振動模式。其中ν2+ν4組合的振動模式為主要 貢獻躍遷訊號,其 FCF 為最大值,數值大小依序為 0.02529、0.02454、0.02156,位於

5600 cm-1、6097 cm-1、6595 cm-1,分別標定為 2149、21410、21411躍遷訊號;在ν4單一 振動模式中,FCF 最大值為 0.02401,位於 4976 cm-1,標定為 410躍遷訊號。

表3.4.7 CD2F2分子電離成正離子CD2F2+

(X)、激發態離子CD

2F2+

(A)的FCF

cm-1 FCFX Assignment cm-1 FCFA Assignment 765 .02785 21 3980 .02266 48 2596 .03280 1121 4478 .02389 49 3361 .03050 1122 4976 .02401 410 1960 .03299 2131 5473 .02118 411 2725 .02673 2231 5102 .02266 2148

3792 .04109 112131 5600 .02529 2149 4987 .02778 112131 6097 .02454 21410 4556 .03615 112231 6595 .02156 21411 X:電離成正離子基態CD2F2+

(X),列出FCF>0.026。

A:電離成正離子基態 CD2F2+

(A),列出 FCF>0.021。

從表3.4.8發現,CD2F2分子電離成離子激發態CD2F2+

(B)的振動躍遷主要集中在ν

4

單一振動模式、ν2+ν4組合振動模式、ν4+ν8結合振動模式等。其中ν4單一振動模式為主 要貢獻躍遷訊號,FCF最大值0.06888、0.05494、0.05368、0.03040,位於888 cm-1、1332

cm-1、444 cm-1、1776 cm-1,分別標定為42、43、41、44躍遷訊號;在ν2+ν4組合的振動模 式中,FCF最大值為0.02754,位於1949 cm-1,標定為2142躍遷訊號;而在ν4+ν8組合的 振動模式中,其FCF最大值為0.02771,位於1011cm-1,標定為4282躍遷訊號。

由表3.4.8也可得知,CD2F2分子電離成正離子CD2F2+

(C) 態的振動躍遷主要集中在

三種(ν2、ν3、ν4)單一振動模式、ν2+ν3組合的振動模式、ν3+ν4組合的振動模式,以 及標定為00的絕熱躍遷,而四種以上振動模式組合的躍遷訊號較弱。其中ν3單一振動模 式為主要貢獻躍遷訊號,FCF為最大值,數值大小依序為0.09831、0.06052,位於946

cm-1、1892 cm-1,分別標定為31、32躍遷訊號;在ν2單一振動模式的FCF值為0.03135,位 於1099 cm-1,標定為21躍遷訊號;在ν4單一振動模式的FCF值為0.04873,位於455 cm-1, 標定為41躍遷訊號;在ν2+ν3組合的振動模式的FCF值為0.03936,位於2045 cm-1,標定

為2131躍遷訊號;而在ν3+ν4組合的振動模式中,FCF最大值為0.06660,位於1400 cm-1, 標定為3141躍遷訊號。

表3.4.8 CD2F2分子電離成激發態離子CD2F2+

(B)、CD

2F2+(C)的FCF

cm-1 FCFB Assignment cm-1 FCFC Assignment 444 .05368 41 0 .07385 00 888 .06888 42 1099 .03135 21 1332 .05494 43 946 .09831 31 1776 .03040 44 1892 .06052 32 1949 .02754 2142 455 .04873 41 2393 .02256 2143 2045 .03936 2131 1011 .02771 4282 1400 .06660 3141 1455 .02210 4382 2346 .04215 3241 B:電離成正離子基態CD2F2

(B),列出FCF>0.022。

C:電離成正離子基態CD2F2+

(C),列出FCF>0.031。

(四)模擬光電子光譜與實驗光譜比對結果

本研究將計算所得的法蘭克-康登因子用來模擬CH

2F2和CD2F2分子電離成2B1

2B22A12A2等四種離子態的光電子光譜。由於光譜中躍遷訊號之強度與法蘭克-康登 因子成正比,因此計算所得的FCF的數值大小可對應其光譜躍遷訊號之強度。所以在模 擬光譜的程式中,我們將每根躍遷譜線的高度都假設為FCF數值,將每個躍遷的貢獻疊

0 7000 14000 21000

0 7000 14000 21000

R e la ti v e In te n s ity

Relative Energy (cm-1)

B3LYP/aug-cc-pVTZ

0 5000 10000 15000 20000

Relative Energy (cm

-1

)

B3PW91/cc-pVTZ

B3PW91/aug-cc-pVTZ

B3LYP/cc-pVTZ

B3LYP/aug-cc-pVTZ 3149

0 5000 10000 15000 20000

B3PW91/cc-pVTZ

B3PW91/aug-cc-pVTZ

B3LYP/cc-pVTZ

B3LYP/aug-cc-pVTZ

R e la ti v e In te n s ity

Relative Energy (cm

-1

)

圖3.5及圖3.6呈現出數個複雜的密集躍遷訊號的吸收峰,因每一吸收位置有數個相 近的訊號,我們僅標定出四個較強的躍遷訊號,以B3LYP/ aug-cc-pVTZ為例,圖3.5中最 強的訊號標定為2131,位於2290 cm-1,FCF值0.5090;圖3.6中最強的訊號標定為3149, 位於5572 cm-1,FCF值0.03776。

(a)半高寬 30 cm-1 (b)半高寬 700 cm-1 圖 3.6 在不同計算基組下 CH2F2分子電離成 CH2F2+

(A)激發態離子的模擬光譜

0 2000 4000 6000 8000 10000

-2000 0 2000 4000 6000 8000 10000

B3PW91/cc-pVTZ

B3PW91/aug-cc-pVTZ

B3LYP/cc-pVTZ

B3LYP/aug-cc-pVTZ

R e la ti v e In te n s ity

Relative Energy (cm

-1

)

0 4000 8000 12000

3

2

0 4000 8000 12000

B3LYP/cc-pVTZ

B3LYP/aug-cc-pVTZ

R e la ti v e In te n s ity

Relative Energy (cm-1) (a)半高寬 30 cm-1 (b)半高寬 700

0 3000 6000 9000 12000 15000

Relative Energy (cm-1)

1121

R e la ti v e In te n s ity

112131 112231 2131

0 3000 6000 9000 12000 15000

R ela tiv e In te ns ity

Relative Energy (cm-1)

0 3000 6000 9000 12000 15000

49

R ela tiv e In te ns ity

Relative Energy (cm-1)

2149 21410 410

0 3000 6000 9000 12000 15000

R ela tiv e In te ns ity

Relative Energy (cm-1)

以B3LYP/ aug-cc-pVTZ為例,圖3.7中最強的訊號標定為42,位於909 cm-1,FCF值

0.07162;圖3.8中最強的訊號標定為31,位於981cm-1,FCF值0.12982。

(a)半高寬 30 cm-1 (b)半高寬 700 cm-1

圖 3.9 在不同計算基組下 CD2F2分子電離成 CD2F2+(X)基態正離子的模擬光譜

(a)半高寬 30 cm-1 (b)半高寬 700 cm-1

圖 3.10 在不同計算基組下 CD2F2分子電離成 CD2F2+(A)激發態離子的模擬光譜

0 2000 4000 6000 8000

43 42

Re la tive I nt en sit y

Relative Energy ( cm-1 )

41

0 2000 4000 6000 8000

Relat ive I nt en sity

Relative Energy ( cm-1 )

0 2000 4000 6000 8000

Relative Energy (cm-1)

R ela tiv e In te ns ity

3

2

3

1

4

1

3

1

0

0

-2000 0 2000 4000 6000 8000

R ela tiv e In te ns ity

Relative Energy (cm-1)

圖3.9~圖3.12為CD2F2分子分別電離成2B1、2B2、2A1、2A2四種離子態的光電子模擬 光譜,其中圖3.9最強的訊號標定為112131,位於3792 cm-1,FCF值0.04109;圖3.10最強 的訊號標定為2149,位於5600cm-1,FCF值0.02529;圖3.11最強的訊號標定為42,位於 888cm-1,FCF值0.06888;圖3.12最強的訊號標定為31,位於946cm-1,FCF值0.09831。

(a)半高寬 30 cm-1 (b)半高寬 700 cm-1

圖 3.11 在不同計算基組下 CD2F2分子電離成 CD2F2+(B)激發態離子的模擬光譜

圖 3.11 在不同計算基組下 CD2F2分子電離成 CD2F2+(B)激發態離子的模擬光譜

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