基于腙类化合物的柔性有机发光晶体材料

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近年来,有机发光晶体材料凭借结构简单,易修饰等特点备受瞩目,成为了制备微电子产品的理想材料。例如,有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode,OLED)等器件广泛应用于各种显示和照明设备中,已经逐渐普及到日常生活中。与此同时,柔性电子产品的需求也不断增大,然而,传统的有机材料难以适应外力的作用,难以直接应用于柔性产品的制备和生产,而近年来开发的有机柔性材料则在一定程度上克服了这一难题。在复杂的外力作用或环境温度变化下,常规的柔性晶体材料也难以维持柔性性质。因此,开发出可以适用于复杂情况的新型有机发光柔性晶体显得尤为重要。在传统的柔性材料席夫碱化合物的基础上,本论文设计合成了一系列新型的腙类化合物,提出了利用晶体工程学方法获得柔性发光晶体的新策略,制备了具有不同力学性能的柔性发光材料,并且通过实验定性和定量地分析了这些晶体材料在不同环境下的柔性性质,系统地研究了晶体性能和结构之间的关系,探索了有机柔性晶体在光电领域的应用,扩展了有机柔性材料在极端低温环境下应用的潜力。具体内容如下:在第二章中,提出了一种新的柔性发光晶体设计策略,并通过氢键晶体工程法得到了三种高弹性的发光晶体。首先,基于酰腙类化合物设计合成了DBBH分子,通过溶剂法和升华法分别得到了Cry-A和Cry-B,荧光较弱的Cry-A具有良好的弹性弯曲性质,而荧光较强的Cry-B却不具备弹性弯曲能力,这两种晶体均不符合预期的目标。随后,对比了Cry-A和Cry-B的单晶结构和堆积方式,利用晶体工程的方法成功制备了Cry-C、Cry-D和Cry-E。新制备的三种新晶体均同时具有良好的弹性弯曲性质和荧光性质。通过单晶结构分析,发现这三种晶体的生长方向上不存在常见的π···π相互作用,而是以氢键作用相互连接,在晶体的弹性弯曲过程中起到了重要的保护作用。最后,探索了这些高弹性发光晶体在光波导领域的应用,这三种晶体在初始和弯曲状态下均表现出良好的光学信号传输能力,因此在柔性光电子领域具有一定的应用潜力。总之,本章基于氢键晶体工程提出了弹性发光晶体设计的新策略,为柔性发光材料的制备提供了新的思路。在第三章中,基于苯腙类化合物设计合成了一种能够适应超低温环境的有机弹性发光晶体DHDA。首先,通过控制晶体的生长条件,得到了长约2 cm的绿色条带状晶体,荧光最大发射峰位于520 nm,绝对量子产率为0.50。DHDA晶体在镊子的作用下可以发生弹性弯曲变形,弯曲角度接近180°。随后,为了定量地描述DHDA晶体的弹性能力,我们利用万能材料实验机进行了三点弯曲测试,拟合应力-应变曲线后得到晶体的弹性模量为688 Mpa。进一步,对其进行了低温模拟实验,并观察到DHDA晶体在液氮环境下仍能够保持弹性弯曲性质。通过对常温/低温的原位单晶衍射数据分析,观察到晶轴发生各向同性收缩,分子构象依旧保持平面结构,生长方向的π···π相互作用增强,这些结构变化都是晶体在低温下维持弯曲性质的重要原因。最后,首次将超低温环境下晶体的弹性弯曲性质和光波导性质相结合,实现了有机弹性晶体材料在超低温环境下的光学应用。总之,本章实现了超低温环境下有机弹性晶体的光波导传输性质,填补了低温有机柔性材料体系的空白,为有机柔性材料在低温环境下的应用提供了基础。在第四章中,在晶体兼具弹性弯曲和塑性扭转性质的基础上,提出了两种塑性扭转恢复的方式。首先,基于苯腙类化合物设计合成了DDMP晶体。DDMP晶体为针状橙色晶体,最大发射峰位于585 nm,绝对量子产率为0.23。长针状DDMP晶体可以在不同方向的外力作用下发生弹性弯曲或塑性扭转,并且扭转后的螺旋状晶体仍然具有弹性弯曲性质。随后,探索了螺旋晶体的两种恢复方式:热恢复和手动扭转恢复。螺旋状DDMP晶体在加热至190℃会自发恢复为初始状态,也可以通过手动反向扭转方式恢复,并且这种扭转-恢复过程可以多次进行。通过显微镜照片可以观察到在整个过程中晶体表面保持完好,无明显损伤。另外,在第三章低温弹性弯曲基础上,对DDMP晶体进行了低温扭转实验,并通过常温/低温下的单晶结构和理论计算对比阐明了低温扭转机理。最后,探索了晶体初始和扭转状态的光波导性质,发掘了晶体扭转圈数和光损耗之间的周期性关系。在第五章中,基于苯腙类化合物设计合成了一种可机械加工的有机柔性晶体材料DHMP。首先,通过溶剂挥发得到了长针状的橙色晶体,该晶体具有十分优异的弹性和荧光性质,荧光最大发射峰位于586 nm,绝对量子产率为0.21。通过尖针或刀对晶体的一端切割,可以将DHMP晶体切割为多段,分离后的小晶体表面光滑,且没有明显的损伤,仍然具有良好的弹性和光学性质。其次,在超低温环境下成功进行了晶体的撕裂实验,证明了有机晶体低温加工的可行性。最后,通过常温/低温的单晶衍射分析阐明了晶体撕裂的机理,并探索了晶体的多信号传输性质。总之,本章实现了大尺寸晶体的机械加工,并初步探索了有机柔性晶体在极端低温环境下的机械加工性质。综上所述,我们基于腙类化合物设计合成了一系列高弹性发光晶体材料,这些材料都易于制备大尺寸晶体,具有较高的荧光量子效率和新颖的机械性能。通过各种测试定量/定性地描述了晶体的晶体结构、发光性质和机械行为,发掘了柔性发光晶体材料微观结构和宏观性能之间的关系,探索了柔性晶体在微电子、信息加密等领域的应用潜力,并扩展了耐超低温环境柔性材料的体系,为有机柔性发光晶体材料的发展提供了理论基础和应用方向。
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