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有机电光材料具有非线性光学系数大、响应速度快、介电常数低等优点,并可根据需求进行分子设计、修饰,使之易于提高性能以及可加工性,从而得到了广泛的关注和深入的研究。有机电光材料的研究在近10年中取得了巨大进展,然而,目前有机电光材料仍存在许多不足,为了使其能够满足实用化的需求,必须在电光活性、热稳定性、机械性能和光学损耗等方面对其进行进一步的优化。
本论文的工作主要集中在从分子设计出发,合成出性能优良的电光功能发色团分子并且进行树枝状结构修饰;有机电光聚合物交联体系的选择,合成与交联过程的研究;以及有机电光材料电光性能的测试,最终得到高效、稳定、适合制作器件的聚合物电光材料,主要研究结果概括如下:
(1)合成了高性能非线性光学化合物,其特征为用己氧基(枝化基团)取代的噻吩为π电子桥,苯胺类化合物为电子给体,吸电子能力较强的2-二氰基次甲基-3-氰基-4,5,5-三甲基二氢呋喃(TCF)为电子受体。同时对其作为活性发色团的电光聚合物薄膜进行了极化和电光系数的测定。从研究结果发现该类取代噻吩桥的发色团可以在APC(聚碳酸酯)聚合物体系中以47.2wt.%的高浓度掺杂,且电光系数随掺杂浓度的增加呈增长的趋势,此时测得聚合物体系的电光系数是30 pm/V(@1310nm),这些结果说明引入的两个己氧基大小适中,即能有效地减小发色团分子间的静电相互作用,增加其在高分子体系中的浓度,又能使发色团分子在聚合物体系中有好的分散性从而更易于极化,为我们进行器件化研究打下基础。
(2)选择了PMMA类含羟基的电光聚合物与甲苯二异氰酸酯(TDI)的交联体系进行研究。1)聚合物1侧链挂接受体为TCF,电子给体为苯胺的发色团。2)聚合物2侧链挂接受体为现在已知吸电子能力最强的受体三氰基吡咯啉(TCP),并且在受体分子上进行了树枝状基团的修饰。通过树枝状分子的修饰,不仅有效的改善了TCP为受体的发色团溶解性不好的缺点,同时由于树枝状基团的存在减小了发色团分子之间的偶极相互作用。以上两种电光聚合物(未交联和交联体系)均具有良好的光学透明性与成膜性,同时也可以经受较高的极化电压。加热极化后在发色团浓度相同的情况下,交联的聚合物薄膜具有与未交联的薄膜相近的电光系数,说明交联反应并没有对该体系的电光性能产生影响。在电光性能的热稳定性测试中,常温条件下经过450小时以后,电光薄膜的电光系数能够保持在初始值的93%;在80℃的高温条件下,经过450小时后仍然能够保持初始电光系数的80%以上。而未交联聚合物在80℃加热24小时后,电光系数几乎消失。说明经过交联反应形成的高分子链的网络结构有效的束缚住了发色团,最大程度上减少了发色团的分子取向在外加电场撤去后的弛豫现象。这些性能表明此类交联聚合物材料将在电光器件的制作中有很大的应用前景。