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含三氰基呋喃的有机非线性光学材料合成及性能研究

作　者: 唐翔
导　师: 唐先忠
学　校: 电子科技大学
专　业: 应用化学
关键词: 有机非线性光学材料合成热性能溶致变色法二次谐波法
分类号: TQ251.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

非线性光学(Nonlinear Optic,NLO)是光电子技术发展的理论基础之一,是现代光学的一个全新的领域。有机非线性光学材料作为集成光学器件的重要材料,因其相对无机材料具有更好的性能,相关研究已成为当今高技术研究的一大热点。本文对有机非线性光学材料的分子设计理论进行了介绍,综述了有机非线性光学材料的合成研究进展,在此基础上,设计并合成了含单苯环共轭桥、含呋喃共轭桥以及含偶氮和双偶氮共轭桥四个系列共十种新型生色团分子。通过GAUSSIAN03软件,用密度泛函理论在B3LYP/6-31G基组下对这些分子的结构进行优化并在相同基组下计算分子的静态二阶极化率,这些分子均表现出较大的静态二阶极化率,其中β0值最高达到2.129×10-27esu。对所设计的十种分子的合成进行了研究,成功合成了这十种生色团分子,同时还提出了一种新的合成含杂环共轭桥生色团的方法。通过1H-NMR、IR和元素分析对各生色团分子及相关中间体的结构进行了表征。TGA测试结果表明,这些分子具有较好的热稳定性,其中,5%热失重温度最高达301℃。这些分子的耐热性能良好,可以满足器件制备的要求。用溶致变色法研究了生色团的非线性光学特性,测量得到分子在激光基频波长为1064nm处的品质参数,结果表明,合成的材料具有较高的非线性光学系数。其中所测得的μgβ(1064)值最大达到59706×10-48esu。计算和测试结果均表明此类材料具有非常好的非线性光学特性。将含呋喃共轭桥和二甲胺基给体的生色团分子掺杂入聚砜中,旋涂成膜,经电晕极化后用二次谐波法(SHG)测得其二次谐波系数d33(1064)值最高达70pm/V。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章有机非线性光学材料发展概述  10-25
  1.1 引言  10
  1.2 非线性光学效应  10-12
  1.3 有机非线性光学发展史  12
  1.4 有机非线性光学材料的分子设计理论  12-14
    1.4.1 双能级模型  13-14
    1.4.2 键长交替理论  14
  1.5 有机非线性光学材料合成研究进展  14-23
    1.5.1 对于电子受体部分的研究  15-19
    1.5.2 对于共轭桥部分的研究  19-21
    1.5.3 对于给体部分的研究  21-22
    1.5.4 小结  22-23
  1.6 本论文的设计思想  23-25
第二章含三氰基呋喃生色团分子的非线性光学性能理论计算  25-35
  2.1 量子化学计算方法简介  25-26
    2.1.1 从头算方法  25
    2.1.2 半经验计算方法  25-26
    2.1.3 密度泛函理论（DFT）  26
  2.2 计算方法的选择  26-27
  2.3 生色团分子的模拟及二阶极化率计算  27-35
第三章含三氰基呋喃的有机非线性光学分子的合成  35-71
  3.1 实验药品与仪器  35-36
    3.1.1 药品  35-36
    3.1.2 仪器和装置  36
  3.2 生色团分子及其中间体的合成  36-49
    3.2.1 受体分子的合成  36-37
      3.2.1.1 TCF 的合成  37
    3.2.2 含单苯环共轭桥的生色团分子的合成  37-38
      3.2.2.1 MFC 的合成  37-38
      3.2.2.2 EFC 的合成  38
      3.2.2.3 HFC 的合成  38
    3.2.3 含呋喃共轭桥的生色团分子的合成（方法一）  38-43
      3.2.3.1 呋喃甲醇的合成  39
      3.2.3.2 三苯基磷溴化氢复合物的合成  39-40
      3.2.3.3 溴代呋喃甲基三苯基膦的合成  40
      3.2.3.4 中间体（1）的合成  40
      3.2.3.5 中间体（2）的合成  40
      3.2.3.6 中间体（3）的合成  40-41
      3.2.3.7 中间体（4）的合成  41
      3.2.3.8 中间体（5）的合成  41
      3.2.3.9 中间体（6）的合成  41-42
      3.2.3.10 MFFC 的合成  42
      3.2.3.11 EFFC 的合成  42
      3.2.3.12 HFFC 的合成  42-43
    3.2.4 含呋喃共轭桥的生色团分子的合成（方法二）  43-44
      3.2.4.1 中间体（7）的合成  43
      3.2.4.2 MFFC 的合成  43
      3.2.4.3 EFFC 的合成  43-44
    3.2.5 含偶氮苯共轭桥的生色团分子的合成  44-46
      3.2.5.1 对氨基苯甲醛（8）的合成  44-45
      3.2.5.2 中间体（9）的合成  45
      3.2.5.3 中间体（10）的合成  45
      3.2.5.4 中间体（11）的合成  45
      3.2.5.5 MFNC 的合成  45-46
      3.2.5.6 EFNC 的合成  46
    3.2.6 含双偶氮苯共轭桥的生色团分子的合成  46-49
      3.2.6.1 中间体（12）的合成  47
      3.2.6.2 中间体（14）的合成  47-48
      3.2.6.3 中间体（15）的合成  48
      3.2.6.4 中间体（16）的合成  48
      3.2.6.5 中间体（17）的合成  48
      3.2.6.6 MFNNC 的合成  48-49
      3.2.6.7 EFNNC 的合成  49
  3.3 合成问题讨论  49-52
    3.3.1 含单苯环共轭桥的生色团分子的合成问题讨论  49
    3.3.2 方法一合成含呋喃共轭桥的生色团分子问题讨论  49-51
      3.3.2.1 中间体（1），（2）和（3）的合成问题讨论  49-50
      3.3.2.2 中间体（4），（5）和（6）的合成问题讨论  50-51
    3.3.3 方法二合成含呋喃共轭桥的生色团分子问题讨论  51
      3.3.3.1 中间体（7）的合成问题讨论  51
      3.3.3.2 方法一与方法二的比较  51
    3.3.4 含偶氮苯共轭桥的生色团分子的合成问题讨论  51-52
      3.3.4.1 对氨基苯甲醛（8）的合成问题讨论  51-52
      3.3.4.2 中间体（9）的合成问题讨论  52
      3.3.4.3 中间体（10）的合成  52
    3.3.5 含双偶氮苯共轭桥的生色团分子的合成问题讨论  52
      3.3.5.1 中间体(14)的合成问题讨论  52
      3.3.5.2 中间体（16）和（17）的合成问题讨论  52
  3.4 生色团分子及其中间体的结构表征  52-71
    3.4.1 受体分子的结构表征  53-54
    3.4.2 含单苯环共轭桥的生色团分子的结构表征  54-57
      3.4.2.1 MFC 分子的结构表征  54-55
      3.4.2.2 EFC 和HFC 分子的结构表征  55-57
    3.4.3 含呋喃共轭桥的生色团分子及其合成中间体的结构表征  57-64
      3.4.3.1 MFFC 分子及其合成中间体的结构表征  57-59
      3.4.3.2 EFFC 分子及其合成中间体的结构表征  59-61
      3.4.3.3 HFFC 分子及其合成中间体的结构表征  61-63
      3.4.3.4 方法二合成生色团的中间体结构表征  63-64
    3.4.4 含偶氮苯共轭桥的生色团分子及其合成中间体的结构表征  64-67
      3.4.4.1 对氨基苯甲醛（8）的结构表征  64
      3.4.4.2 MFNC 及其合成中间体的结构表征  64-66
      3.4.4.3 EFNC 及其合成中间体的结构表征  66-67
    3.4.5 含双偶氮苯共轭桥生色团分子及其合成中间体的结构表征  67-71
      3.4.5.1 中间体14 的结构表征  67-68
      3.4.5.2 MFNNC 及其合成中间体的结构表征  68-69
      3.4.5.3 EFNNC 及其合成中间体的结构表征  69-71
第四章含三氰基呋喃的有机非线性光学分子的性能研究  71-85
  4.1 生色团的热学性能  71-74
  4.2 生色团的光学性能  74-85
    4.2.1 生色团的线性光学性能  74-75
    4.2.2 生色团分子的微观非线性光学性能  75-82
      4.2.2.1 二阶非线性极化率测试方法  76-78
      4.2.2.2 溶致变色法测定分子的二阶非线性极化率  78-82
    4.2.3 材料的宏观非线性光学性能  82-85
第五章结论  85-86
致谢  86-87
参考文献  87-92
附录  92-94
  附录1 中间体1 的元素分析结果  92-93
  附录2 MFFC、EFFC、MFNC 和EFNC 的元素分析结果  93-94
攻读硕士学位期间取得的研究成果  94-95

含三氰基呋喃的有机非线性光学材料合成及性能研究

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