Расчет параметров возбужденных состояний поликатиона Bi 3+ 5 методом спин-орбитального конфигурационного взаимодействия

Авторы

  • А.Н. Романов
  • О.А. Кондакова
  • А.В. Сулимов
  • В.Б. Сулимов
  • Д.Н. Втюрина

Ключевые слова:

квантовая химия
поликатионы висмута
спектроскопия
субвалентные состояния

Аннотация

Поликатион Bi 3+5� является одним из возможных источников широкополосной ИК-люминесценции в некоторых оптических материалах, легированных висмутом. В настоящей статье методом спин-орбитального конфигурационного взаимодействия произведен расчет возбужденных состояний поликатиона Bi 3+5� , ответственных за поглощение в ближней ИК, видимой и ближней УФ-области спектра. Продемонстрировано хорошее соответствие данных расчета с экспериментальными материалами по спектру поглощения Bi 3+5� в хлоралюминатном расплаве. Подтверждено наличие нижнего по энергии возбужденного уровня, переходы с которого на основной уровень соответствуют люминесценции в ближней ИК-области спектра. Таким образом, поликатион Bi 3+5� действительно может являться источником широкополосной ИК-люминесценции в висмутсодержащих оптических материалах. Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках государственного контракта № 07.514.11.4059 по теме «Исследование новых активных сред для лазеров и широкополосных оптических усилителей, работающих в телекоммуникационном диапазоне длин волн 1100-1600нм на основе субвалентных соединений висмута».

Новые вычислительные технологии

Загрузки

Опубликован

2011-11-11

Выпуск

Том 12 (2011): Выпуск 4.

Раздел

Раздел 1. Вычислительные методы и приложения

Авторы

А.Н. Романов

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова,
Научно-исследовательский вычислительный центр
Ленинские горы, 119991, Москва
• ведущий научный сотрудник

О.А. Кондакова

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова,
Научно-исследовательский вычислительный центр
Ленинские горы, 119991, Москва
• старший научный сотрудник

А.В. Сулимов

ООО «Димонта»
ул. Нагорная, 15-8, 117186, Москва
• системный программист

В.Б. Сулимов

ООО «Димонта»
ул. Нагорная, 15-8, 117186, Москва
• заведующий лабораторией

Д.Н. Втюрина

ООО «Димонта»
ул. Нагорная, 15-8, 117186, Москва
• младший научный сотрудник

Библиографические ссылки

  1. Fujimoto Y., Nakatsuka M. Optical amplification in bismuth-doped silica glass // Appl. Phys. Lett. 2003. 82, N 19. 3325-3326.
  2. Dianov E.M. Bi-doped glass optical fibers: is it a new breakthrough in laser materials? // J. Non-Cryst. Solids. 2009. 355, № 37-42. 1861-1864.
  3. Arai Y., Suzuki T., Ohishi Y., Morimoto S., Khonthon S. Ultrabroadband near-infrared emission from a colorless bismuth-doped glass // Appl. Phys. Lett. 2007. 90, N 26. 261110.
  4. Meng X., Qiu J., Peng M., Chen D., Zhao Q., Jiang X., Zhu C. Near infrared broadband emission of bismuth-doped aluminophosphate glass // Optics Express. 2005. 13, N 5. 1628-1634.
  5. Romanov A.N., Fattakhova Z.T., Zhigunov D.M., Korcha V.N., Sulimov V.B. On the origin of near-IR luminescence in Bi-doped materials (I). Generation of low-valence Bismuth species by Bi^3+ and Bi_0 synproportionation // Opt. Mater. 2011. 33, N 4. 631-634.
  6. Peng M., Meng X., Qiu J., Zhao Q., Zhu C. GeO2: Bi, M (M = Ga, B) glasses with super-wide infrared luminescence // Chem. Phys. Lett. 2005. 403, № 4-6. 410-414.
  7. Qiu Y., Kang J., Li C., Dong X., Zhao C.-L. Broadband near-infrared luminescence in bismuth borate glasses // Laser Physics. 2010. 20, N 2. 487-492.
  8. Dong G., Xiao X., Ren J., Ruan J., Liu X., Qiu J., Lin C., Tao H., Zhao X. Broadband Infrared Luminescence from Bismuth-Doped GeS-2 -Ga_2S_3 Chalcogenide Glasses // Chinese Physics Letters. 2008. 25, N 5. 1891-1894.
  9. Romanov A.N., Haula E.V., Fattakhova Z.T., Veber A.A., Tsvetkov V.B., Zhigunov D.M., Korchak V.N., Sulimov V.B. Near-IR luminescence from subvalent bismuth species in fluoride glass // Opt. Mater. 2011. 34, N 1. 155-158.
  10. Sun H.-T., Sakka Y., Fujii M., Shirahata N., Gao H. Ultrabroad near-infrared photoluminescence from ionic liquids containing subvalent bismuth // Opt. Lett. 2011. 36, N 2. 100-102.
  11. Sun H.-T., Hosokawa A., Miwa Y., Shimaoka F., Fujii M., Mizuhata M., Hayashi S., Deki S. Strong ultra-broadband near-infrared photoluminescence from Bismuth-embedded zeolites and their derivatives // Adv. Mater. 2009. 21, N 36. 3694-3698.
  12. Sun H.-T., Sakka Y., Miwa Y., Shirahata N., Fujii M., Gao H. Spectroscopic characterization of bismuth embedded Y zeolites // Appl. Phys. Lett. 2010. 97, N 13. 131908.
  13. Okhrimchuk A.G., Butvina L.N., Dianov E.M., Lichkova N.V., Zagorodnev V.N., Boldyrev K.N. Near-infrared luminescence of RbPb_2Cl_5:Bi crystals // Opt. Lett. 2008. 33, N 19. 2182-2184.
  14. Su L., Yu J., Zhou P., Li H., Zheng L., Yang Y., Wu F., Xia H., Xu J. Broadband near-infrared luminescence in gamma-irradiated Bi-doped alpha-BaB_2O_4 single crystals // Opt. Lett. 2009. 34, N 16. 2504-2506.
  15. Ruan J., Su L., Qiu J., Chen D., Xu J. Bi-doped BaF2 crystal for broadband near-infrared light source // Optics Express. 2009. 17, N 7. 5163-5169.
  16. Peng M., Sprenger B., Schmidt M.A., Schwefel H.G. L., Wondraczek L. Broadband NIR photoluminescence from Bi-doped Ba_2P_2O_7 crystals: insights into the nature of NIR-emitting bismuth centers // Optics Express. 2010. 18, N 12. 12852-12863.
  17. Sun H.-T., Sakka Y., Gao H., Miwa Y., Fujii M., Shirahata N., Bai Z., Li J.-G. Ultrabroad near-infrared photoluminescence from Bi_5(AlCl_4)_3 crystal // J. Mater. Chem. 2011. 21, N 12. 4060-4063.
  18. Romanov A., Fattakhova Z., Zhigunov D., Buchnev L., Korchak V., Sulimov V. IR luminescence from subvalent bismuth in phosphate glass and glass ceramic matrices: a new insight into the nature of luminescent Bi species // Online Digest of the 2011 Conference on Lasers and Electro-Optics Europe and 12th European Quantum Electronics Conference (CLEO extregistered/Europe - EQEC 2011). 22-26 May 2011, Munich, Germany.
  19. Bjerrum N.J, Boston C.R., Smith G.P. Lower oxidation states of bismuth. Bi^+ and Bii in molten salt solution // Inorg. Chem. 1967. 6, N 6. 1162-1172.
  20. Bjerrum N.J., Boston C.R., Smith G.P. Lower oxidation states of bismuth. Bi_8^2+ formed in aluminum chloride-sodium chloride melts // Inorg. Chem. 1967. 6, N 11. 1968-1972.
  21. Hershaft A., Corbett J.D. The crystal structure of Bismuth subchloride. Identification of the ion Bi_9^5+ // Inorg. Chem. 1963. 2, N 5. 979-985.
  22. Kalpen H., Hddotonle W., Somer M., Schwarz U., Peters K., von Schnering H.G., Blachnik R. Bismut(II)-chalkogenometallate(III) Bi_2M_4X_8, Verbindungen mit Bi_2^4+-Hanteln (M=Al, Ga; X=S,Se) // Z. Anorg. Allg. Chem. 1998. 624, N 7. 1137-1147.
  23. Dikarev E.V., Li B. Rational syntheses, structure, and properties of the first Bismuth(II) carboxylate // Inorg. Chem. 2004. 43, N 11. 3461-3466.
  24. Corbett J.D., Albers F.C., Sallach R.A. An electromotive force study of solutions of bismuth in bismuth(III) chloride at 240^circ // Inorg. Chimica Acta. 1968. 2. 22-26.
  25. Ruck M. Bi_34Ir_3Br_37: Ein pseudosymmetrisches Subbromid aus Bi_5^+- und Bi_6^2+- Polykationen sowie [IrBi_6Br_12]^- und [IrBi_6Br_13]^2- Clusteranionen // Z. Anorg. Allgem. Chem. 1998. 624, N 3. 521-528.
  26. Peng M., Da N., Krolikowski S., Stiegelschmitt A., Wondraczek L. Luminescence from Bi^2+-activated alkali earth borophosphates for white LEDs // Optics Express. 2009. 17, N 23. 21169-21178.
  27. Ulvenlund S., Bengtsson-Kloo L., Stddotahl K. Formation of subvalent bismuth cations in molten gallium trichloride and benzene solutions // J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1995. 91, N 23. 4223-4234.
  28. Sokolov V.O., Plotnichenko V.G., Dianov E.M. Possible centers of broadband near-IR luminescence in bismuth-doped solids: Bi^+, Bii, and Bi_4 (arXiv:1106.1519v1 [cond-mat.mtrl-sci] 8 Jun 2011).
  29. Werner H.-J., Knowles P.J., Lindh R., Manby F.R., Schutz M., Celani P., Korona T., Rauhut G., Amos R.D., Bernhardsson A., Berning A., Cooper D.L., Deegan M.J. O., Dobbyn A.J., Eckert F., Hampel C., Hetzer G., Lloyd A.W., McNicholas S.J., Meyer W., Mura M.E., Nicklass A., Palmieri P., Pitzer R., Schumann U., Stoll H., Stone A.J., Tarroni R., Thorsteinsson T. MOLPRO, version 2006.1. A package of ab initio programs (available atlinebreak http://www.molpro.net).
  30. Metz B., Stoll H., Dolg M. Small-core multiconfiguration-Dirac-Hartree-Fock-adjusted pseudopotentials for post-d main group elements: application to PbH and PbO // J. Chem. Phys. 2000. 113, N 7. 2563-2569.
  31. Peterson K.A. Systematically convergent basis sets with relativistic pseudopotentials. I. Correlation consistent basis sets for the post-d group 13-15 elements // J. Chem. Phys. 2003. 119, N 21. 11099-11112.
  32. Ichikawa K., Yamanaka T., Takamuku A., Glaser R. Neutron Diffraction of Homopolyatomic Bismuth ions in liquid Bi_5(AlCl_4)_3 and ab initio study of the structure and bonding of the isolated Bii ion // Inorg. Chem. 1997. 36, N 3. 5284-5290.
  33. Романов А.Н., Кондакова О.А., Головачева А.Ю., Сулимов А.В., Офёркин И.В., Сулимов В.Б. Квантово-химическое моделирование возбужденных состояний монокатиона висмута // Вычислительные методы и программирование. 2011. 12, N 2. 417-422 (https://num-meth.rcc.msu.ru/).
  34. Knowles P.J., Werner H.-J. Internally contracted multiconfiguration-reference configuration interaction calculations for excited states // Theor. Chimica Acta. 1992. 84, N 1-2. 95-103.
  35. Титов А.В. Обобщенный релятивистский эффективный потенциал и восстановление электронной структуры в остовах тяжелых атомов в молекулах: Дисс. …. СПб.: 2002.
  36. Burns R.C., Gillespie R.J., Luk W.-C. The preparation, spectroscopic properties, and structure of the pentabismuth(3+) cation, Bii // Inorg. Chem. 1978. 17, N 12. 3596-3604.