含六枝生色团非线性光学材料的制备及其极化处理研究

摘要

非线性光学(NLO)材料作为现代光信息处理元器件的重要材料，在过去几十年被人们广泛认知。有机非线性光学材料因为具有非线性光学系数大、响应速度快、介电常数低、激光损伤阈值高、加工性能优良以及可进行分子设计等无机非线性光学材料无法比拟的优势而备受关注。迄今为止，研究者在理论指导下合成了大量高微观非线性光学性能生色团，但是由于生色团分子间偶极-偶极静电作用的存在，材料宏观非线性光学性能无法随之大幅提高。因此，枝状结构被引入非线性光学材料研究中，枝状有机非线性光学材料已成为该领域研究重点。
　　 本文简要介绍了非线性光学效应原理以及二阶非线性光学材料的种类，着重回顾极化聚合物及其制备，详细描述了枝状有机非线性光学材料及其研究现状。根据各种化学反应原理，通过合适的反应条件合成了一系列枝状生色团分子，利用简单的方法制备成薄膜材料，并选用适宜的极化处理手段，研究生色团分子枝状化对材料宏观非线性光学性能的影响。
　　 根据分子设计理论指导，通过酯化反应合成二枝生色团DN和六枝生色团SN。将单枝生色团NI和二枝生色团DN制备成主客物理掺杂薄膜的同时，成功制备了具有良好光学质量的含六枝生色团SN非线性光学薄膜。极化处理后，薄膜材料非线性性能显示Film-SN的二阶非线性光学系数d33值为208 pm/V，是Film-DN(39 pm/V)的5.3倍、Film-N1(25 pm/V)的8.3倍。解决了因生色团分子间强静电作用而引起的材料宏观非线性光学性能下降的问题，并为制备含多枝生色团非线性光学材料提供依据。
　　 基于位阻原理，通过酯化反应合成了带有不同位阻基团的六枝生色团S1、S2、S3，六枝生色团单独成膜后，将多种生色团尝试性混合成膜，发现这种混合薄膜的非线性光学性能并未因多种生色团的存在而下降。薄膜的非线性光学性能显示：只含有一种六枝生色团的薄膜Film-S1、Film-S2、Film-S3的二阶非线性光学系数d33值分别为113 pm/V、142 pm/V和136 pm/V，是其对应偶氮生色团聚合物薄膜的2-3倍；混合薄膜Film-M1、Film-M2、Film-M3的d33值分别为153 pm/V、133 pm/V、168 pm/V，比只含有一种六枝生色团薄膜的d33值大。说明枝状结构可以有效提高材料非线性性能，位阻基团(尤其是刚性位阻基团)的引入进一步提高材料的非线性光学性能，不同种枝状生色团分子的掺入对薄膜材料非线性光学性能的提高帮助更大。探讨位阻基团对材料非线性光学性能的影响，为合成含有位阻基团的多枝生色团分子及其材料的制备提供依据。