Отличительные оптические характеристики комплексов ионов лантаноидов(III) (Ln(III)), включая широкий спектр длин волн монохроматической люминесценции, уникальные механизмы ее возникновения и сопутствующие фотофизические процессы, обусловливают их применение в оптических, оптоэлектронных и телекоммуникационных устройствах, солнечных и термоэлектрических элементах, светодиодах, лазерах и оптических волноводах. Однако высокая трудоемкость и значительные затраты на синтез и экспериментальное исследование физико-химических свойств соединений Ln(III) стимулируют использование методов квантово-химического моделирования и теоретических подходов для предварительного анализа и подбора соединений с улучшенными характеристиками до стадии их синтеза. В настоящей работе предложены методики квантово-химического моделирования молекулярного строения и некоторых оптических свойств комплексов европия(III) (Eu(III)) с различными β-дикетонами и основаниями Льюиса. Была проведена оптимизация молекулярной геометрии комплексов Eu(III), проведено сравнение геометрических параметров с литературными данными. Рассчитанные энергии низших синглетных и триплетных возбужденных состояний позволили произвести анализ наиболее вероятных каналов внутримолекулярного переноса энергии возбуждения и оценить эффективность люминесценции комплексов. Были вычислены параметры интенсивности в рамках теории Джадда-Офельта, на основании которых были проанализированы особенности химических связей в координационном узле иона Eu(III) и рассчитаны значения теоретического квантового выхода люминесценции. В ходе сравнения рассчитанных величин с экспериментальными данными была проведена апробация выбранных в работе методик моделирования. Произведена оценка влияния природы заместителей в лигандах на эффективность люминесценции комплексов Eu(III). В результате анализа рассчитанных оптических характеристик были изучены ограничения и особенности применения теоретического подхода для прогнозирования эффективности люминесценции комплексов Eu(III).
Distinctive optical characteristics of the lanthanide(III) (Ln(III)) complexes, including a wide range of monochromatic luminescence wavelengths, unique mechanisms of its occurrence and related photophysical processes, determine their application in optical, optoelectronic and telecommunication devices, solar and thermoelectric elements, light emitting diodes, lasers and optical fibers. However, the high efforts and significant costs of the synthesis and experimental study of the physicochemical properties of Ln(III) compounds stimulate the use of quantum-chemical simulation methods and theoretical approaches for preliminary analysis and selection of compounds with improved characteristics prior to their synthesis. In this work, methods for the quantum-chemical simulation of the molecular structure and some optical properties of the europium(III) (Eu(III)) complexes with various β-diketones and Lewis bases were proposed. The molecular geometry of the Eu(III) complexes was optimized, geometric parameters with literary data were compared. The calculated energies of lowest singlet and triplet excited states were used to define the most probable channels of the intramolecular energy transfer and to evaluate the luminescence effectiveness of the complexes. The intensity parameters were calculated according to the Judd-Ofelt theory, on their basis the features of chemical bondings in the coordination sphere of the Eu(III) ion were analyzed and the values of the theoretical luminescence quantum yield were calculated. According to the comparison of the calculated values with experimental data, the approbation of the selected simulation methods was performed. The influence of the substitutes’ nature in ligands on the luminescence effectiveness of the Eu(III) complexes was evaluated. As a result of the analysis of the calculated optical characteristics, the restrictions and features of the applied theoretical approach for the prediction of the luminescence effectiveness of the Eu(III) complexes were studied.