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Document Type: Tese
Title: Development and implementation of theoretical methodologies for the study of luminescent systems
Other Titles: Desenvolvimento e implementação de metodologias teóricas para o estudo de sistemas luminescentes
Authors: Silva, Gustavo de Santana
Issue Date: 30-Jul-2026
Advisor: Freire, Ricardo Oliveira
Co-advisor: Dutra, José Diogo de Lisboa
Resumo : A correta previsão das energias de estados excitados é de extrema importância para estudos em diversas áreas. Em complexos de lantanídeos, cálculos para a determinação dos estados excitados geralmente é feita por métodos ab initio, TDDFT ou pelo método semiempírico INDO/S-CIS. Os dois primeiros casos são limitados a sistemas contendo poucas dezenas de átomos. Embora seja capaz de tratar moléculas grandes, o método semiempírico quântico INDO/S-CIS apresenta erros elevados quando não é realizado o ajuste de janela de excitação. Assim, propomos duas parametrizações de métodos CIS baseados nas aproximações INDO e NDDO, denominados INDO/S-CIS2 e NDDO/SCIS, para o cálculo das energias de estado excitado singleto e tripleto de sistemas contendo íons lantanídeos. Para validar os métodos, comparamos os resultados obtidos contra metodologias TDDFT, partindo de um estudo de benchmark realizado, e INDO/SCIS. Ambos os métodos desenvolvidos apresentaram erros menores ou equivalentes às metodologias TDDFT. Os intervalos de erros para INDO/S-CIS2 e NDDO/S-CIS foram, respectivamente, 10,43 ± 9,53 e 9,52 ± 7,13, para a energia singleto, em um conjunto de 41 estruturas. Já a energia tripleto, para um conjunto de 87 estruturas, os intervalos de erros foram de 9,46 ± 6,88 e 7,68 ± 5,65, respectivamente. Além disso, apresentamos também a segunda versão do software LUMPAC com a incorporação de novos métodos e recursos. Foram implementados métodos para o cálculo dos parâmetros de intensidade de Judd-Ofelt a partir do espectro de excitação, uma metodologia para o cálculo das taxas de transferência de energia para compostos de Tb3+. Um módulo inédito para visualização de orbitais moleculares, facilitando a caracterização dos estados excitados centrados nos ligantes envolvidos no processo de transferência de energia e a interpretação do espetro de absorção teórico. O visualizador de moléculas foi otimizado. O respectivo diagrama de Jablonski é gerado de forma automática. Além disso, melhorias no código foram realizadas.
Abstract: Accurate prediction of excited state energies is extremely important for studies in various fields. In lanthanide complexes, calculations for determining excited states are generally performed using ab initio methods, TDDFT, or the semi-empirical INDO/S-CIS method. The first two cases are limited to systems containing a few dozen atoms. Although capable of handling large molecules, the semi-empirical quantum INDO/S-CIS method exhibits high errors when excitation window adjustment is not performed. Thus, we propose two parameterizations of CIS methods based on the INDO and NDDO approximations, named INDO/S-CIS2 and NDDO/S-CIS, for calculating the singlet and triplet excited state energies of systems containing lanthanide ions. To validate the methods, we compared the results obtained against TDDFT methodologies, based on a benchmark study, and INDO/S-CIS. Both developed methods presented errors smaller than or equivalent to those of the TDDFT methodologies. The error ranges for INDO/S-CIS2 and NDDO/SCIS were 10.43 ± 9.53 and 9.52 ± 7.13, respectively, for the singlet energy, in a set of 41 structures. For the triplet energy, in a set of 87 structures, the error ranges were 9.46 ± 6.88 and 7.68 ± 5.65, respectively. Furthermore, we also present the second version of the LUMPAC software with the incorporation of new methods and resources. Methods for calculating Judd-Ofelt intensity parameters from the excitation spectrum were implemented, as well as a methodology for calculating energy transfer rates for Tb3+ compounds. A novel module for visualizing molecular orbitals was also introduced, facilitating the characterization of excited states centered on the ligands involved in the energy transfer process and the interpretation of the theoretical absorption spectrum. The molecule viewer was optimized. The corresponding Jablonski diagram is generated automatically. In addition, code improvements have been made.
Keywords: Estados excitados
Singleto
Tripleto
Complexos de európio
Excited states
Singlet
Triplet
Europium complexes
Semiempirical methods
Métodos semiempíricos
Luminescence package (LUMPAC)
Subject CNPQ: CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA
Sponsorship: Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES
Language: por
Institution: Universidade Federal de Sergipe (UFS)
Program Affiliation: Pós-Graduação em Química
Citation: SILVA, Gustavo de Santana. Development and implementation of theoretical methodologies for the study of luminescent systems. 2026. 153 f. Tese (Doutorado em Química) — Universidade Federal de Sergipe, São Cristóvão, 2026.
URI: https://ri.ufs.br/jspui/handle/riufs/26176
Appears in Collections:Doutorado em Química

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