Modelling and investigation of boron-based nanostructures

Abstract

Polyhedral boron clusters and their applications have been subject to research in many fields such as medicine, materials science, catalytic applications, energy studies, etc. These molecules owe their popularity to their exceptional 3D stable structures, as well as their various sought-after properties in many applications. This doctoral thesis was prepared within the focus of a computational investigation of different polyhedral borane and carborane clusters by using DFT methods. The results of our studies were reported in two main chapters (Chapters 3 and 4). In the first part (Chapter 3), theoretical evaluation of relative stabilities and electronic structure for [BnXn] 2− clusters were provided. The structural and electronic characteristics of [BnXn] 2− clusters were examined by comparison with the [B12X12] 2− counterparts with a focus on the substituent effects (X = H, F, Cl, Br, CN, BO, OH, NH2). The effects of the substituents were discussed in relation to their mesomeric (±M) and inductive (±I) effects. The results showed that the icosahedral barrier can be reduced through substitution by destabilizing the [B12X12] 2− cluster with symmetry-reducing ligands or ligands with +M effects rather than stabilizing the larger clusters. In the second part (Chapter 4), the investigation of the photophysical properties of carborane-containing luminescent systems was presented. The o-CB-Anth system is known to exhibit a dual-emission property by radiating in the visible region from two low energy conformations with local excited (LE) and hybridized local and charge transfer (HLCT) characters, however, it shows a very low emission quantum yield in solution state similar to many other CB-luminescent systems. In this section, the excited-state potential energy surface (PES) of o-CB-Anth and o-CB-Pent were investigated in detail and the effect of a low-lying CT on the low quantum yield was discussed.Çokyüzlü bor kümeleri ve uygulamaları tıp, malzeme bilimi, katalitik uygulamalar, enerji çalışmaları vb. Birçok alanda araştıma konusu olmuştur. Bu moleküller, popülerliklerini kararlı 3 boyutlu yapılarının yanında sahip oldukları, ve birçok uyglama alanında aranan özelliklerine borçludur. Bu doktora tezi, farklı çokyüzlü boran ve karboran kümelerinin yoğunluk fonksiyonu theorisi metotları kullanılarak hesaplamalı olarak incelenmesi odağında hazırlanmıştır. Çalışmalarımızın sonuçları iki ana bölümde rapor edilmiştir (Chapter 3 ve 4). Birinci bölümde, [BnXn] 2− kümelerinin bağıl kararlılıklarının ve elektronik yapılarının teorik bir değerlendirmesi verilmektedir. [BnXn] 2− kümelerinin yapısal ve elektronik karakterleri, [B12X12] 2− molekülleri ile karşılaştırılarak, sübstitüent etkileri (X = H, F, Cl, Br, CN, BO, OH, NH2) incelendi. Bu etkiler, substitüentlerin mezomerik (±M) ve endüktif (±I) etkileriyle ilişkilendirilerek tartışıldı. Sonuçlar, ikosahedral bariyerin, daha büyük kümeleri stabilize etmek yerine simetriyi azaltan ligandlar veya +M etkileri olan ligandlarla [B12X12] 2− kümesini kararsızlaştırarak azaltılabileceğini göstermektedir. İkinci bölüm, karboran kümeleri ve bunların ışık yayan sistemler üzerindeki etkileri çerçevesinde yaptığımız çalışmayı kapsamaktadır. o-CB-antrasin sisteminin, yerel uyarılmış (LE) ve hibritleştirilmiş yerel ve yük transferi (HLCT) karakterlerine sahip iki düşük enerjili konformasyondan görünür bölgede ışıma yaparak çift emisyon özelliği gösterdiği bilinmektedir, ancak diğer birçok CB bazlı ışık yayan sistemde de görüldüğü gibi çözücü içerisinde çok düşük emisyon kuantum verimine sahiptir. Bu bölümde, o-CB-Anth ve o-CB-Pent sistemlerinin uyarılmış durum potansiyel enerji yüzeyi (PES) detaylı olarak incelenmiş ve düşük seviyeli bir yük transfer (CT) durumunun kuantum verimi üzerindeki etkisi tartışılmıştır.