相转移法制备苝酰亚胺衍生物低维功能材料

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低维材料是信息时代的材料基础,低维纳米功能材料(纳米线,纳米棒,纳米带等)的研究已成为纳米科学和纳米技术领域的研究热点。大部分低维功能材料的制备与应用主要集中于无机材料体系,而关于有机功能材料的低维化的报道相对较少。有机π共轭小分子苝酰亚胺衍生物具有优异的光电性能,已在发光二极管,场效应晶体管和太阳能电池等功能器件上得到广泛应用。因此,如何采用简单、方便的技术方法和手段制备具有低维尺寸的管、线、棒、带状和片状结构的苝酰亚胺功能材料具有重要的科学意义和广阔的应用前景。本论文在文献综述的基础上,合成了两种苝酰亚胺衍生物N-PBI和PBI,采用相转移法和溶液自组装方法,分别将苝酰亚胺功能小分子制备形成有序的低维超分子功能材料,并对其聚集体结构和性能进行初步地探讨。对N-PBI溶液自组装形成的聚集体形貌结构研究发现,N-PBI在二氯甲烷、三氯甲烷和二氧六环溶剂中均未形成有序的低维聚集体;而在丙酮溶剂中则形成有层片状结构;在甲基环己烷溶剂中,N-PBI形成了表面光滑的棒状与层片状结构。采用紫外可见吸收光谱与荧光光谱进一步研究发现,N-PBI溶液自组装形成的聚集体结构均为H型聚集体。对相转移法制备的N-PBI聚集体结构进行研究发现,当在甲醇/三氯甲烷体积比大于2:1时,相转移法制备的N-PBI聚集体为大尺寸的一维亚微米聚集体结构,紫外可见吸收光谱表明为典型的面-面堆叠的H型聚集体。在甲醇/三氯甲烷体积比小于1:1时,N-PBI的聚集体为短小的棒状结构,其紫外特征吸收峰发生较大程度的红移,表现为典型的J型聚集体。对PBI在不同溶剂中自组装形成的聚集体的形貌结构研究发现,PBI在二氯甲烷与甲苯溶剂中均能形成表面光滑的一维亚微米棒状聚集体,直径约为0.1-0.5μm,而在丙酮溶剂中形成了长圆柱状聚集体,直径约为0.8μm;另外,在二氧六环和三氯甲烷溶剂中,PBI均未自组装形成有序的低维聚集体。采用紫外吸收光谱对PBI的聚集体结构进一步研究,在二氯甲烷与甲苯溶剂中形成的PBI聚集体结构均为J型聚集体,这与前面N-PBI聚集体的分子堆积模式完全不同。由甲醇与三氯甲烷两相体系相转移制备的PBI聚集体为棱角分明、长度不一的柱状体结构,而由正己烷与三氯甲烷两相体系形成的PBI聚集体为结构均一、表面光滑的层片状聚集体,进一步研究发现两种聚集体结构均为典型的J型聚集体。最后论文考察了PBI与BD(4,4-联吡啶)在不同溶剂中自组装形成的聚集体的形貌结构。研究发现,PBI/BD在二氧六环、三氯甲烷、二氯甲烷中均未形成有序的聚集体结构;而在甲苯与丙酮溶剂中形成了一维亚微米J型聚集体结构。对PBI在不同溶剂中、不同配比PBI/BD在甲苯溶剂中组装聚集体的分子堆叠模式进行研究,发现PBI在二氯甲烷、甲苯溶剂中形成的聚集体的π-π堆叠方向与棒的长轴方向一致,而PBI/BD(1:4)与PBIPBI/BD(1:0.5)甲苯溶剂中形成聚集体的π-π堆叠方向垂直棒的长轴方向。以上研究结果表明,分子结构、溶剂介质和自组装方式对聚集体结构都有重要的影响,这为进一步制备以苝酰亚胺为构造块的大尺度低维功能材料提供了新的方法和手段,并为深入地探究超分子组装过程和聚集体结构形成的相关机制奠定了理论基础。
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