外電場作用下CF3I分子結構特性及性質

李亞莎， 劉國成， 劉志鵬， 謝云龍， 徐 程

(三峽大學電子與新能源學院，宜昌443002)

1 引 言

隨著電力行業的飛速發展，SF6由于良好的絕緣能力和滅弧性能被廣泛用于氣體絕緣組合電器(GIS)、氣體絕緣斷路器(GIB)等電力設備中[1-3]，但SF6的溫室效應潛在值(GWP)為CO2的23900倍[4,5]，對環境有極強的破壞作用. CF3I作為一種潛在的SF6替代性氣體是近年來研究的熱點，CF3I是一種無色、無味、無毒、具有較強電負性的氣體，它的溫室效應潛在值(GWP)小于5，在大氣中的壽命只有0.005 a[4,5]. 目前，對于CF3I及其混合氣體的絕緣性能進行了大量的研究. 文獻[6]研究得出CF3I在雷電沖擊電壓下的擊穿電壓約為純SF6氣體的1.2倍. 文獻[7]通過能量為0-40 eV的電子碰撞CF3I氣體，測出了在此電子能量范圍內CF3I的電子親和勢為0.32±0.2 eV. 文獻[8]通過近似求解Boltzmann方程，求出在一個大氣壓下50%SF6/50%CF3I混合氣體的擊穿場強，得出了在溫度為1800℃以上時，其擊穿場強高于純SF6氣體臨界擊穿場強的結論. 文獻[9,10]基于密度泛函理論(DFT)研究了CF3I在微水、微氧環境中的分解產物微觀形成機理，并且采用過渡態搜索計算了CF3I反應物與生成物之間反應的活化能及反應熱.

受外電場作用，分子內電子在外電場作用下會吸收一定的能量，由能量較低的基態躍遷至能量較高的激發態，分子活性增大，外電子碰撞下容易發生分子鍵斷裂，進而形成自由基，易與其他物質發生化學反應，其物理及化學性質變化極大[11]. 文獻[12]采用密度泛函理論的方法研究了在外加電場-0.04～0.04 a.u.下CHCl3的分子結構與激發特性，隨著電場的增加，分子結構發生形變，分子的能隙先增大后減小，分子反應活性增加. 文獻[13, 14]采用密度泛函理論方法分別研究了SnS和CaS分子在外電場作用下分子結構及其激發特性，并且分析了此分子前9個激發態的激發能、振子強度和吸收波長.

CF3I在外電場作用下結構及性質研究還鮮有報道，因此對在外加電場下CF3I分子結構及激發態進行研究很有必要. 本文采用HF方法在3-21g基組下研究了CF3I分子的基態分子鍵長、偶極距、前線軌道等參數，并且在此基礎上采用雜化CIS/3-21g方法計算外電場對于CF3I分子前9個激發態的激發能、吸收峰、振子強度.

2 理論計算

外加電場下分子的哈密頓量H可以用下式來表示[15]：

H=H0+Hint

(1)

H為分子在未加電場時的哈密量；Hint為外電場與分子體系相互作用時的哈密頓量. 在偶極近似的情況下，分子體系與外電場相互作用能[18]如下式子：

Hint=-μ·F

(2)

μ為電偶極距，F為外電場作用力.

對CF3I分子沿X軸方向加電場強度為0～0.009 a.u. (約為0～4.62106kV/m)范圍電偶極化電場，這里加的電場較強，是對CF3I分子結構的作用，大于CF3I氣體的擊穿場強(在0.1 MPa氣壓，間隙為10 mm時，CF3I擊穿場強約為10.5 kV/mm).

圖1 CF3I分子結構模型Fig.1 Structure of CF3I

3 結果與討論

在3-21g(碘原子超出6-31g基組級以上基組適用范圍,因此選用3-21g基組)基組的情況下，分別選用HF、LSDA、BPV86、B3LYP、B3PW91方法對CF3I分子優化，對比計算結果，采用HF方法計算的鍵長與實驗鍵長結果最為接近，C-F鍵長為0.13406 nm，實驗值為0.1347 nm[17]，C-I鍵長為0.21769 nm，實驗值為0.2201 nm[17]，驗證了采用HF/3-21g方法來進行CF3I分子優化計算的準確性. 圖1為Gaussian View 5.0上建立的CF3I模型，藍色為F原子，灰色為C原子，紫紅色為I原子.

3.1 CF3I在外加電場下鍵長的變化

在外加電場時采用HF/3-21g方法優化基態CF3I分子結構的鍵長數據如表1所示，由表1可以看出F2-C1、F3-C1和F4-C1鍵長隨著電場的增加而減小，分子鍵能增加；I5-C1鍵長隨著電場強度增加而增加，分子鍵能減小，更容易斷裂，與文獻[18]研究得出CF3I在電場作用下，帶電粒子與CF3I發生碰撞，C-I極易斷裂的結論一致. 分子幾何參數的變化可以用電荷轉移引起分子內電場變化來定性解釋[13,21]，上述鍵長的變化表明，隨著外電場沿圖1所示X軸方向增加，F2-C1、F3-C1和F4-C1局部電場強度增加，鍵長減小，I5-C1局部電場減小，鍵長增加. 鍵長的變化也表明在外電場作用下，CF3I分子結構發生變形.

表1 外加電場下CF3I分子鍵長變化

Tab.1 Bond length of CF3I molecule under different applied electric field

Electric/a.u.F2-C1/nmF3-C1/nmF4-C1/nmI5-C1/nm00.134 059 560.134 059 560.134 047 480.217 692 660.0010.133 973 870.133 964 160.133 967 940.217 942 810.0020.133 885 800.133 866 440.133 873 970.218 187 800.0030.133 797 730.133 768 760.133 780 030.218 451 090.0040.133 670 250.133 670 250.133 685 240.218 732 930.0050.133 618 830.133 570 770.133 589 460.219 034 320.0060.133 527 730.133 470 150.133 492 540.219 356 400.0070.133 448 650.133 379 540.133 406 400.219 797 270.0080.133 353 060.133 274 320.133 304 910.220 176 850.0090.133 255 570.133 167 230.133 201 550.220 584 58

3.2 外電場作用下CF3I Mulliken電荷布居分布、紅外光譜分析及分子偶極距

表2為基態CF3I分子在外加電場的作用下優化得到的Mulliken電荷布居分布，由表2可以看出在外電場的作用下，F2、F3、F4和C1的電荷隨著外加電場強度的增加而增加，I5的電荷量隨著外加電場強度的增加減少. 這說明在外電場的作用下，F2、F3、F4和C1電負性減小，I5電負性增加，分子內電子遠離F2、F3、F4和C1，導致F2、F3、F4和C1上電荷增大，分子內電子偏向I5，致分子內部的I5電荷減小.

下圖2為CF3I分子的紅外光譜圖，在未加外電場時，分子有四個特征吸收峰，波數分別是547.89 cm-1、755.48 cm-1、1186.51 cm-1和1386.26 cm-1. 其中吸收峰1(547.89cm-1)對應C1-I5伸縮振動吸收峰，與文獻[19]提供C1-I5伸縮振動吸收峰波數523 cm-1基本相符，特征吸收峰2(755.48 cm-1)對應CF3·(CF3基團)彎曲振動，與實驗值CF3·彎曲振動吸收峰為743 cm-1基本相符[20]，特征吸收峰3(波數1186.51 cm-1)和特征吸收峰4(波數1386.26 cm-1)對應CF3·的對稱與非對稱伸縮振動，與文獻[19]提供CF3·的對稱與非對稱伸縮振動值1148 cm-1，1278 cm-1基本相符，驗證了計算的正確性. 施加外電場后，分子特征吸收峰2在電場為0.003 a.u.時，波數為755.88 cm-1，發生藍移現象，之后在電場為0.006 a.u.和0.009 a.u.時，波數分別是755.77 cm-1和754.55 cm-1，又出現紅移現象，表明隨著電場的增強CF3·基團振動先是劇烈后又緩和；特征吸收峰3在電場為0.003 a.u.、0.006 a.u.及0.009 a.u.時，波數分別為1157.98 cm-1、1173.07 cm-1和1186.51 cm-1，隨著電場增強出現紅移現象，表明對應CF3·非對稱振動更加緩和；在電場0.003 a.u.、0.006 a.u.及0.009 a.u.時，特征吸收峰1波數分別為548.22 cm-1、549 cm-1和549.27 cm-1，特征吸收峰4波數分別為1399.29 cm-1、1412.73 cm-1和1246.21 cm-1， 1、4特征吸收峰在電場作用下藍移現象明顯，表明對應的CF3·彎曲振動和CF3·的對稱伸縮振動更加劇烈. 外電場對分子的內部基團振動影響明顯，影響了分子紅外吸收光譜.

CF3I分子在外電場作用下的偶極距變化如圖3所示，根據圖3可知分子的偶極距隨著正X軸方向電場強度增加(電場范圍0～0.009 a.u.)逐漸減小，表明對圖1所示的CF3I分子在沿X軸正方向加電場，分子偶極距減小，分子趨于非極性分子.

3.3 CF3I分子前線軌道、能隙及總能量變化

分子前線軌道分為最高占據軌道(HOMO)與最低未占據軌道(LUMO)，HOMO軌道上能量反映分子失去電子的能力，HOMO軌道的能量越高，該分子越容易失去電子；LUMO軌道反映分子得到電子的能力，在數值上與分子的電子親和勢相當，LUMO軌道的能量越低越容易得到電子[13]. 能隙表示分子中電子從HOMO軌道躍遷到LUMO軌道的難易程度，能夠表征分子的活性，能隙越小，分子活性越大. 能隙計算公式如下：

Eg=ELUMO-EHOMO

(3)

Eg為分子的能隙；EHOMO為分子的HOMO軌道能量；ELUMO為分子的LUMO軌道能量.

圖2 CF3I在外電場下的紅外光譜分析Fig. 2 Infrared Spectrum Analysis under different Electric Field

圖3 外電場作用下CF3I偶極距變化Fig. 3 Change of CF3I dipole moment under different electric field

根據表3可以知道HOMO軌道能量在0～0.006 a.u.之間逐漸減少，在0.007～0.009 a.u.之間微弱波動，LUMO軌道能量隨著電場的增加逐漸減少，由圖4 可知分子的能隙隨著電場強度的增加逐漸減小，這表明，分子內電子從HOMO軌道躍遷到LUMO軌道所需要的能量減少，電子易從HOMO軌道激發至LUMO軌道，HOMO軌道形成空穴[21].

根據圖5分子總能量的變化可以看出，CF3I分子總能量隨著外電場的增加而增加，這是因為在外電場的作用下，電子遠離F2、F3、F4，且靠近I5，致使F2、F3、F4電荷布居數(絕對值)減小，且I5的電荷布居數減小，從而使得體系的哈密頓量中的勢能減小，進而導致分子的總能量增大[13].

表2 外電場作用下CF3I電荷布居分布及原子間電荷布居數差

Table 2 CF3I Charge Distribution and Intersatomic Charge Distribution under different Electric Field

Electri-c/a.u.C1/eF2/eF3/eF4/eI5/e00.828-0.371-0.371-0.3710.2850.0010.835-0.369-0.369-0.3690.2730.0020.841-0.367-0.367-0.3670.2600.0030.848-0.365-0.365-0.3650.2470.0040.855-0.363-0.362-0.3630.2340.0050.862-0.362-0.36-0.3600.2200.0060.869-0.359-0.359-0.3580.2060.0070.877-0.357-0.355-0.3560.1910.0080.884-0.355-0.353-0.3540.1770.0090.893-0.353-0.35-0.3510.162

3.4 外電場對CF3I分子的激發態的影響

在優化得到CF3I分子基態結構的基礎上，采用雜化CIS方法在3-21g的基組上對CF3I分子進行激發態計算，得到分子的前9個激發態激發能、吸收峰和振子強度. 激發能反映分子從基態到激發態所需能量. 表4為CF3I分子在外電場作用下激發能. 由表4數據可以看出，CF3I分子第1、2和9激發能都是隨著電場強度增大，呈現先增大后減小趨勢，且1、2激發能在0.005 a.u.電場強度時，分子激發能最大，激發能分別是2.5440 eV和2.5452 eV，第9激發態在0.004 a.u.時激發能最大，激發能為13.2452 eV；第3、4、5、6、7和8激發態隨著電場強度的增加，激發能逐漸減少，說明對圖1所示CF3I分子沿X軸方向對CF3I分子施加外電場時，隨著電場強度的增加，第3、4、5、6、7和8激發態越來越容易被激發. 從激發能大小的角度分析，第1、2激發態的激發能相比于其他激發態小很多，激發所需的能量較少，激發相對容易. 激發能的變化可以由分子軌道能級的升降以及電場改變了分子軌道電子躍遷狀態共同解釋[21]. 如分子在無外加電場時，分子從基態激發至激發態8時，激發能為11.1869 eV(約為1079.37 kJ/mol)，躍遷軌道是HOMO36LUMO44；在外加電場為0.005 a.u.時，激發能為11.1019 eV(約為1071.17 kJ/mol)，電子躍遷軌道為HOMO37LUMO44躍軌道.

表3 CF3I分子在外加電場下的分子前線軌道能量數據

Table 3 Molecular frontier orbital energy data of CF3I molecules under different applied electric field

Electric/a.u.HOMO/eVLUMO/eVEg/eV0-0.405 050.058 510.463 560.001-0.405 240.058 170.463 410.002-0.405 370.057 910.463 280.003-0.405 480.057 640.463 120.004-0.405 580.057 350.462 930.005-0.405 660.057 060.462 720.006-0.405 730.056 760.462 490.007-0.405 700.056 310.462 010.008-0.405 720.055 980.461 700.009-0.405 710.055 630.461 34

圖4 外電場下CF3I分子能隙變化Fig. 4 Energy gap of CF3I molecule under different electric field

圖5 外電場下CF3I分子總能量變化Fig. 5 Changes in total energy of CF3I molecule under different electric field

CF3I在外電場作用下的激發態波長數據如表5所示，由此可以看出整個光譜的波長范圍在90～500 nm之間，屬于紫外光譜和可見光譜的范圍. 從表5還可以看出分子在外電場的作用波長發生了變化，第1、2和9激發態吸收波長先減小后增大，且1,、2激發在電場強度為0.005 a.u.時，吸收波長最短，波長分別為487.37 nm和487.13 nm，第9激發態在電場強度為0.004 a.u.時，吸收波長最短，波長為93.61 nm，第3、4、5、6、7和8激發態波長隨著電場強度的增加而增加. 這同樣可由電子躍遷狀態的改變解釋，分析上述激發態9，在外加電場存在時，激發態9電子躍遷軌道為HOMO34LUMO44，躍遷波長為94.5 nm；在外加電場強度為0.005 a.u.時，電子躍遷軌道為 HOMO32LUMO44，波長為93.63 nm. 由此可知吸收波長受外電場的作用影響較大，可以由外電場強度改變CF3I的電子躍遷發光光譜波長.

表6為CF3I分子在外電場作用下的振子強度數據，振子強度反映了分子各個激發態的激發能力，振子強度越大，該激發態就越容易吸收相應頻率的能量從基態躍遷至激發態. 根據表6的數據可以看出，在0～0.009 a.u.電場強度范圍內，第1,、2、4、5、6激發態的振子強度為零，屬于禁阻躍遷，激發態3振子強度的數值最大，激發能力最高，激發態3和9振子強度隨著電場強度的增加而減小，激發能力逐漸減小，第7、8激發態的振子強度隨著電場的增加而增加，這表明分子的第7、8激發態激發的能力相對增加. 表明外電場存在時， CF3I分子激發態躍遷的難易程度不同，可利用外電場能控制材料的發光強度[21].

綜上所述可以看出，外電場影響了分子的激發能、波長和振子強度，且各個激發態的激發能、吸收波長和振子強度受電場的影響規律不完全相同.

表4 外電場作用下CF3I分子激發能

表5 外電場作用下CF3I分子吸收波長

表6 外電場作用下CF3I分子振子強度

4 結 論

采用HF/3-21g方法優化了CF3I分子的基態結構，分析了分子的鍵長、偶極距、分子前線軌道、能隙、諧振頻率和電荷布居分布；在此基礎上還采用雜化CIS/3-21g方法計算了分子的前9個激發態，討論了激發態的激發能、吸收光譜和振子強度. 得出如下結論：

1)分子的F2-C1、F3-C1和F4-C1鍵長隨著電場強度的增加而減小，I5-C1鍵長隨著電場強度的增加而增大，分子發生形變；分子內I5的電荷減小，其它原子的電荷逐漸增加，分子上電荷布居數逐漸由I5轉向其它原子上.

2)CF3I分子的偶極距隨著X軸正向電場強度增大而減小，分子逐漸趨于無極性分子，偶極距隨著X軸正方向電場強度的增大而增大，分子極性減弱，趨于非極性分子；隨著X軸正向電場增加能隙逐漸減小，分子總能量增加，分子變的不穩定，活性增加.

3)隨著外電場強度的增加，第1、2、8、9激發能先增大后減小，第3、4、5、6、7激發能逐漸增加；第1、2、9激發態波長先減小后增大，第3、4、5、6、7、8激發態波長逐漸增大，這是因為外電場改變了CF3I分子軌道能級順序和電子躍遷狀態. 第1、2、4、5、6振子強度在0～0.009a.u.電場強度范圍內為零，這表明第1、2、4、5、6激發態屬于禁阻躍遷，第3、9振子強度隨著電場強度的增加逐漸減小，激發的能力逐漸減小，第7、8振子強度隨著電場的增強逐漸增大，激發的能力逐漸增強. 這為利用外電場控制CF3I分子的激發波長和強度提供了理論基礎.