作为碳质新材料分子的代表,富勒烯衍生物和石墨烯纳米带在光物理以及光伏功能器件等领域中具有重要的基础研究和应用价值。富勒烯衍生物作为聚合物人阳能电池的电子受体材料而广泛应用;石墨烯纳米带因其独特的准一维纳米结构和独特的电子性质而倍受关注。本论文对新合成的五种富勒烯衍生物(PCBM衍生物)、新合成的两种石墨烯纳米带模型分子(linear-tri-PBI和zigzag-tri-PBI)以及di-PBI分子(潜在的激发态近红外吸收和单态氧光敏剂)的光物理过程和性质进行了研究。另外,探索了步进扫描时间分辨傅立叶变换近红外光谱检测溶液中单态氧的近红外瞬态吸收光谱的方法。本论文的主要研究内容概括如下:　　 (1)富勒烯衍生物是聚合物太阳能电池中优异的电子受体,但对于其激发态性质及分子结构与聚合物太阳能电池光电性能的关系尚不明确。本论文采用瞬态和稳态紫外.可见吸收光谱及荧光光谱,结合电子结构计算,对五种PCBM衍生物分子的光物理性质和电子结构性质进行了研究和对比。光谱数据表明五种PCBM衍生物分子相对于C60母体而言,荧光量子产率升高,三重态量子产率降低,说明对C60的C=C双键的功能化影响了C60母体的π-共轭体系,并破坏了其Ih对称性,导致PCBM衍生物分子光物理性质相对于C60母体发生改变。另外,在PBEPBE/6-311G(d,p)//PBEPBE/6-31G(d)计算水平上得到五种PCBM衍生物的HOMO-LUMO能隙差和LUMO能量值,发现侧链基团的吸电子效应扰动了LUMO能级,并进而导致了开路电压(Voc)的变化。计算结果预测的Voc与文献结果一致,并从理论上解释了Voc随CH2链增长而振荡变化的原因是由于LUMO能级随CH2链增长而振荡产生的。此结果有助于理解富勒烯衍生物的结构变化对聚合物太阳能电池性能的影响,可为合成提高聚合物太阳能电池性能的新型富勒烯衍生物提供思路。　　 (2)石墨烯纳米带的电学性质倍受关注,而对其光学性质则缺乏研究。利用化学合成的两种三并苝酰业胺衍生物分子(linear-tri-PBI和zigzag-tri-PBI)作为研究石墨烯纳米带光学性质的模型分子,采用时间分辨的瞬态吸收光谱技术检测tri-PBIs的三重态吸收光谱,求得zigzag-tri-PBI有较高的三重态量子产率(ΦT=0.46)。光学限幅和光学双稳态实验发现这类分子与C60相似,也表现出新颖的非线性光学特性,其中zigzag-tri-PBI比linear-tri-PBI的光学性质更好。进一步通过五能级模型分析,得到这类分子在激发波长下的三重态吸收截面(σT)远大于其基态吸收截面(σG),从而具有反饱和吸收的非线性光学性质。通过Raman光谱解释导致tri-PBIs非线性光学性质差异的主要原因是ziazag-tri-PBI具有较大的共轭结构,其电子离域程度更大。实验结果表明,官能团修饰的石墨烯纳米带分子在非线性光学领域具有潜在的应用价值。　　 (3)新的近红外吸收材料在现代通讯科学和生物科学领域具有重要的应用价值。通过瞬态和稳态紫外-可见吸收光谱和荧光光谱,对二并苝酰亚胺衍生物分子(di-PBI)的光物理性质进行了研究,发现di-PBI的π-共轭体系的增大导致吸收峰相对于单体PBI明显红移。di-PBI分子内结构扭转造成其荧光量子产率和荧光寿命相对于单体PBI均急剧下降,而其三重态量子产率比单体PBI大幅提高至0.41,预示着di-PBI在近红外区有较好的光学限幅和光学开关效应。另外,利用532 nm连续激光激发空气饱和的di-PBI溶液,检测到1276 nm处单态氧的发射信号。这些结果表明di-PBI可作为潜在的近红外光学限幅和光学开关材料以及产生单态氧的潜在光敏剂。　　 (4)单态氧的研究对认识核酸、蛋白质的氧化损伤等生命科学基础问题具有重要的意义。作为运用时间分辨傅立叶变换红外吸收光谱研究单态氧与生物分子反应动力学的第一步,需要探测单态氧的近红外瞬态吸收光谱。通过对步进扫描时间分辨傅立叶变换红外光谱装置的调试,将光谱检测范围由中红外区扩展到近红外区,构建成检测近红外光谱的有力手段。利用此实验装置,成功地检测到由光敏化法产生的位于～5200cm-1处的单态氧O2(α1△g→b1∑g+)近红外瞬态吸收光谱,单态氧的寿命为～23.4μs。此结果为今后开展单态氧与生物分子的反应动力学研究打下了基础。