有机一维微纳晶体的可控合成及其光子传输研究

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有机一维微纳结构不仅具有了有机半导体材料的分子结构可裁剪性、可大面积溶液加工、质轻柔韧和光电功能可调等特性,还拥有一维结构光子二维限域和定向传输的优势,在有机光电领域具有重要的基础研究和实际应用价值。然而,有机分子间非共价作用的艰难操控以及有机半导体分子多样性的自组装行为,给有机一维微纳结构的精确自组装合成带来了巨大挑战,限制其实际应用。本文首先合理设计有机半导体分子体系,然后通过过饱和度调控其热力学和动力学控制的自组装过程,实现有机一维微纳结构的可控构筑,并对其光子传输性能进行了评估。具体的研究内容和结果如下:(1)首先设计合成了具有多晶型自组装特性的benzo[k]fluoranthene-7,12-dicarbonitrile(BFD)分子,然后通过过饱和度调节BFD自组装的热力学和动力学过程,精确合成基于BFD多晶相的有机合金微米线。其中,通过热力学和动力学控制的自组装过程,分别合成了蓝色发光的α相微米线和绿色发光的β相微米线。基于BFD多晶相及其合金相微米线实现了从蓝色(CIE(0.17,0.23))到绿色(CIE(0.29,0.58))的连续可调发光颜色,最后成功应用于多色显示和光波导中。(2)进一步基于 bis(phenylethynyl)anthracene(BPEA)和 9,10-p-distyrylbenzene(DSB)晶体之间高达98.2%的晶格匹配,并通过调控多层次π-π作用,实现了BPEA在预先自组装合成的DSB微纳晶体表面上选择性异相成核和外延生长,精确构筑了以DSB微纳晶体为主干,BPEA微米线为枝杈的有机枝杈结构。通过调控BPEA和DSB的过饱和度,实现BPEA枝杈微米线的数量和DSB主干的形貌(微米线和四方形/六菱形微米片)的可控调制,获得了三种不同维度组合的有机枝杈异质结构,为实现光互连功能提供了材料基础。基于枝杈异质结构独特的多通道耦合输出和激发位置依赖的波导特性进行激子转换和光子定向传输,进而获得输出端口发光颜色(蓝/绿/橙色)和发光强度的调制,实现了光互连功能,并成功应用于二维光学条形码。(3)最后基于两种有机电荷转移(Charge-transfer,CT)共晶Naphthalene(Na)-1,2,4,5-tetracyanobenzene(TCNB)和Anthracene(An)-TCNB的高化学和结构兼容性,通过连续自组装和多步晶种外延生长方法,分别可控合成了核壳三嵌段和三嵌段两种有机一维微米线。其中Na-TCNB与An-TCNB形成Na-An-TCNB的有机固溶体,为两种共晶之间外延生长提供了完美的过渡结构。进一步选择同构型共晶体系 9-methylanthracene(9-MA)-TCNB 和 phenanthrene(Phe)-TCNB 分别与Na-TCNB进行多组分自组装,实现有机一维多级异质结构的可控构筑,验证了基于同构型有机共晶材料精确合成有机多级结构的普适性。
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