有机分子材料的光电特性研究

作     者：刘琳 

作者单位：复旦大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马世红

授予年度：2012年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070303[理学-有机化学] 0703[理学-化学] 

主      题：金属酞菁 Z-scan技术 三阶非线性折射率 三阶非线性吸收系数 半花菁LB膜 电滞曲线 矫顽场 最佳厚度 

摘      要：金属酞菁是一类独特的二维p-π共轭大环体系物质,由于具有较高的荧光量子产额和单线态氧量子产额、在人体光学窗口(红外和近红外区)存在较强的吸收等优点,成为近年来光动力治疗(Photodynamic Therapy, PDT)领域研究非常广泛的一种光敏剂。此外,金属酞菁化合物较强的热稳定性、化学稳定性以及良好的线性和非线性光学性质,也使得该类化合物在光限幅、光通讯、光开关、数据存储、谐波发电、动态全息等方面得到广泛的应用,具有良好的发展前景。随着锁模技术和超短脉冲激光的日臻成熟,金属酞菁化合物在强光场下的性质逐渐引起人们极大的研究兴趣。目前,在纳秒和皮秒领域,对多种金属酞菁的非线性光学性质已经做了大量研究,但在飞秒激光下的研究相对较少,而且由于酞菁类化合物的溶解性较差,所以发现能全部溶解于溶剂的酞菁化合物并对其性质进行研究具有非常重要的意义。 本论文所用的四种羧基金属酞菁化合物CuPc(COOH)4, CoPc(COOH)4, RuPc(COOH)4和FePc(COOH)8全部溶于二甲基亚砜。采用800nm的飞秒激光,通过Z-scan非线性测试技术对四种化合物分别进行测试,样品均表现出明显的自散焦效应和反饱和吸收等非线性光学性质。对其三阶非线性光学参数进行计算,发现中心金属的选择对样品的非线性光学性质有很大的影响,三阶非线性极化率χ三阶非线性折射率n2及三阶非线性吸收系数β均随着中心取代的过渡金属原子序数的增加而增加。此外,羧基取代基数目的增多能够增强金属酞菁的非线性光学效应,且nF8/nRu≈2。论文通过离域电子共轭结构和电荷转移理论对实验结果进行了分析。本文在飞秒领域,首次对以上四种羧基取代的金属酞菁化合物的三阶非线性光学参数做了系统研究,得到位于同周期、同主族的中心金属离子的选择以及边缘取代基的选择对酞菁化合物的三阶非线性光学性能的影响规律。 另外,实验中对半花菁多层LB膜的铁电性质与膜厚度的关系也进行了深入的研究。LB膜是一种超薄有序分子膜,利用LB膜沉积技术能在分子水平上制备有序超薄的有机分子膜,并且能够精确控制膜的厚度。实验中分别制备了10、20及40层单分子膜厚的Z型半花菁染料LB膜,发现半花菁LB膜具有典型的铁电性,可作为铁电薄膜材料;矫顽场Ec随薄膜厚度的增加而单调递减,而且在膜厚30-200nm的范围内近似满足方程Ec∞/N-4/3;通过电介质性质的测量得出半花菁LB膜的最佳厚度约为60nm,与传统的铁电材料一致。本文的创新点是证明了有机半花菁LB膜的铁电性与分子膜层数N的关系满足Ec∞N-4/3,并解决了半花菁LB膜用于铁电存储设备的最佳厚度的问题。