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苝酰亚胺衍生物是传统上应用于油漆和涂料的有机染料和颜料。近些年来发现花酰亚胺衍生物是优异的n型半导体材料。花酰亚胺在光电应用材料方面因这种独特的电子性能及其他优异性能而引起了广泛研究。然后,像其他许多有机电子发色团,花酰亚胺衍生物从溶液形成固态发生荧光焠灭。苝酰亚胺在聚集时的堆积是其应用于荧光和集光材料的另外一个主要缺陷。苝酰亚胺堆积和溶解问题是因为其具有强烈的π-π相互作用。这些作用可以通过在酰胺位采用大体积取代基来减弱。可以采用不同的链段解决这些问题,最常采用三苯烷基链。通过使用不同链长和支链的三烷基以改进苝酰亚胺性质,但限制了苯环被迫使用难以控制的长链段来使三链段最大化。所以需要寻找另外一种链段,允许更多烷基链以最大化体积而不需要链段很长。笼形倍半硅氧烷是最小的稳定笼形的硅纳米粒子,具有理想经验式子(RSiO1.5)。和苯环不同,POSS具有八个角定点可用作接烷基链,这样可以轻易的使用短链而增大体积。POSS是无毒、生物相容、化学稳定、机械稳定和纳米级的。近些年POSS广泛应用于许多研究领域。纳米粒POSS可以链接最多八条链段,不需要使用很长链段即可作为大体积取代基。本研究中,我们采用具有7个异丁基链的POSS作为酰胺取代基。为了探索大取代基POSS的使用怎么影响苝酰亚胺自组装和固态、溶液态光物理性能,我们合成了POSS键接PDI和衍生物并详细探索了不同性能。第一章,详细地综述了PDI化学,包括PDI电子性能和通过酰胺位、湾位取代基改性。列举了不同取代基及各自影响。讨论了作为杂化材料的新取代基纳米粒子POSS。最后解释了发展具有更好电子性能的键接POSS的PDI分子的目的。第二章,大体积POSS纳米粒子键接PDI形成POSS-PDI-POSS分子。为了更好理解POSS对于PDI光物理性能的贡献,研究了PDI材料的固态荧光。具有短线性烷基链的PDI-1作为对比。POSS的加入并没有改变PDI的特征吸收,而且荧光发射如预期一样和吸收带呈镜像关系。在不同非极性有机溶剂中POSS-PDI-POSS呈现低聚集趋势,氯仿中10-3M浓度下依然没有聚集迹象。发现POSS-PDI-POSS晶体以二聚体作为堆积块,属于三斜晶系,二聚体分子横移高达2.66A,对PDI-1是0.67A。二聚体中最大横向位移直接减弱了键合强度到0.78eV,而PDI-1是1.34eV。同样也是因为空间位阻POSS-PDI-POSS二聚体没有继续形成堆积。晶体中‘弱的键合强度很大部分导致了POSS-PDI-POSS高的固态荧光量子产率(18.9%),这是PDI-1的几倍。第三章,为了了解POSS-PDI-POSS湾位取代基对光物理性能的影响,合成了湾位1,7-溴取代的POSS-PDIBr-POSS,并与POSS-PDI-POSS对比。POSS-PDI-POSS的特征吸收和荧光峰和PDI很像。POSS-PDIBr-POSS在三氯甲烷1.1×10-3M浓度发生聚集,相比较相同条件TPOSS-PDI-POSS在3.5×10-4M聚集。POSS-PDIBr-POSS在丙醇/1,4-二氧六环1：1双溶剂的浓度依赖吸收光谱中在575nm没有新峰出现而POSS-PDI-POSS存在。需要更多甲醇(70%体积)以降低三氯甲烷溶剂化效应来产生聚集,而POSS-PDI-POSS只需要33.3%。POSS-PDIBr-POSS固态晶体是具有光滑表面的带状,晶体在606nm具有荧光发射,而POSS-PDI-POSS是625nm。XRD表明间距从POSS-PDI-POSS的3.58APOSS-PDIBr-POSS的3.63A。令人惊讶的是POSS-PDIBr-POSS的固态荧光量子产率远高于POSS-PDI-POSS, POSS-PDIBr-POSS的Φf高达83.9%,这是POSS-PDI-POSS的四倍。POSS-PDIBr-POSS晶体在不同光激发可以发射红色到黄色荧光。POSS-PDIBr-POSS的低Of可能是由于小斯托克斯位移引起自吸收造成的。POSS-PDI-POSS荧光高温稳定,然而溴的加入减弱了第一个吸热峰从107℃到77℃和第二吸热峰温度从366℃到342℃。第四章,近红外区吸光材料是集光材料需要的。为了发展近红外的POSS键接PDI,我们采用吡咯烷取代POSS-PDIBr-POSS上的溴得至POSS-PDIpy-POSS。取代导致颜色从红到绿的改变,最大吸收红移从525nm到653nm以及拖尾到近红外。POSS-PDIpy-POSS在有机溶剂高度可溶和低聚集,聚集在加热和冷却是可逆的。POSS-PDIpy-POSS对比POSS-PDI-POSS(?)POSS-PDIBr-POSS电化学性能表明了吡咯烷取代基减小了氧化电位到0.8eV使得它是易氧化的材料。不像POSS-PDI-POSS和POSS-PDIBt-POSS具有大于2eV能级,POSS-PDIpy-POSS具有1.81eV,这是好的集光材料。尽管构建DSSC单元没有参照组,仍获得效率0.298%。第五章,POSS-PDI-POSS和POSS-PDIBr-POSS的固态荧光及其他客观性能是广泛应用于光电领域的期望性能。当然有希望应用这种材料到聚合材料研究以充分利用它的这些性能。为确保它们作为研究用,反应性官能团是必须的,然后在POSS键合的PDI上引入新取代基作为活性官能团改变了生色团的性质。我们已经在POSS-PDIBr-POSS上通过去除一个POSS末端引入活性官能团得到单酰胺POSS-PDIBr。光物理性能保持了大部分与POSS-PDIBr-POSS相同且聚集增加。不像POSS-PDI-POSS(?)PPOSS-PDIBr-POSS, POSS-PDIBr不会形成带状晶体,通过结晶可以形成球形颗粒。这些颗粒像POSS-PDIBr-POSS在不同波长光激发下发射红到黄色荧光。当525nm激发,颗粒荧光发射在622nm,位于POSS-PDIBrPOSS (606nm)和POSS-PDI-POSS (627nm)。这表明单酰胺没有显著地改变固态荧光。第六章,列出本研究论文的结论以及探讨未来研究的可能途径。