基于席夫碱类化合物的柔性有机晶体材料

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近年来,柔性电子产品得到了迅速的发展,并逐渐在人们的日常生活中普及开来。有机晶体材料具有缺陷少、结构长程有序、光稳定性和热稳定性好、载流子迁移率高等优点,是制备柔性有机电子器件的理想材料。但是传统晶体材料通常为脆性材料,在外力作用下极易发生碎裂,无法产生形变,这就大大限制了其在有机光电领域特别是在柔性电子器件中的应用。因此,构建柔性发光晶体材料体系对材料科学的发展有着长远的意义。为了解决这一科学难题,本论文以设计和制备高性能的柔性有机发光晶体材料为目标,通过分子结构与晶体结构的协同调控,使晶体获得优异的材料力学性能,并以晶体的材料力学性能和发光性能为基础,发掘柔性晶体在光电领域的应用潜能。我们选择π共轭结构的席夫碱类化合物为研究对象,制备一系列具有不同材料力学性能的晶体材料,系统地表征了柔性晶体的材料力学性能,深入地探索了晶体柔性性能与晶体结构之间的关系,明确地揭示了晶体的柔性机理,并对柔性晶体材料在光电领域的应用进行探索。在第2章中,我们选择带有二甲氨基取代的羟基萘甲醛类席夫碱类化合物为研究对象,采用溶剂重结晶法制备得到了该化合物的超长针状红光晶体。晶体在外力的作用下可以发生弯曲,外力撤销后自发恢复,该过程可以反复进行并且晶体不发生断裂,表现出优异的弹性性能。通过三点弯曲测试对晶体的材料力学性能进行了表征,测定其弯曲弹性模量约为1.4–2.1 GPa。我们通过分析晶体结构发现,在晶体内部分子通过π···π相互作用堆积成链状结构,晶体可以通过扩大或缩小π···π相互作用的距离适应弯曲时自身的拉伸或压缩,同时分子可以发生轻微转动来适应晶面弯曲产生的曲率变化。晶体内的C–H···O氢键可以在较远的距离下发挥作用,可以使晶体内的分子在外力撤销以后回到最初始的位置,从而保证晶体的弹性性能。除此之外,该化合物晶体具有良好的光学性能,其荧光量子效率为0.43,通过光波导损耗测试确认晶体在初始和弯曲两种状态下均具有较低的光损耗系数,其数值分别为0.270 d B mm-1和0.274 d B mm-1,表明该晶体在柔性光电子领域有着巨大的应用潜力。在第3章中,我们选择带有双甲氧基取代的羟基萘甲醛类席夫碱类化合物为研究对象,通过控制溶剂挥发环境的湿度制备出两种不同的晶体:绿色荧光的晶体G与黄色荧光的晶体Y。晶体G表现出良好的弹性弯曲能力,其弯曲弹性模量为5.99–6.43 GPa。同时它又可以表现出塑性扭转的能力,并且扭转后的晶体仍然可以进行弹性弯曲。晶体Y同样表现出良好的弹性弯曲能力,但对其进行扭转时会在轻微形变后发生碎裂,不具有塑性扭转的能力。单晶结构表明晶体G内只含有化合物的分子,而晶体Y为基态质子转移结构的化合物分子与水分子形成的共晶。我们通过对比分析两种晶体的结构发现,二者的弹性弯曲机理相同,其弯曲能力来自于晶体内部π···π相互作用距离的变化,会对晶体弯曲时产生的应变进行适应,弹性性能则是来自于两种晶体内氢键长度的变化。两种晶体材料性能的差异,主要来自于晶体内氢键的差别,扭转过程中的剪切力会直接作用于晶体内的滑移层,晶体Y内由于水分子的存在形成了较强的氢键限制了分子层的滑移,而晶体G不具备这一要素。通过改变晶体G的扭转角度,可以对偏振光的方向进行控制,从而基于晶体材料实现了偏振旋转器的功能,极大地简化了传统偏振旋转器的结构,这将柔性有机晶体材料的应用拓展到了更多的领域。在第4章中,我们以引入氰基苯乙烯结构的水杨醛类席夫碱化合物为研究对象,通过溶剂扩散法与真空升华法制备出化合物的针状、块状两种晶型,并通过加热的方式实现了两种晶型的转换。块状晶体为脆性晶体,外力作用下会发生碎裂。室温(298 K)条件下,针状晶体在外力的作用下可以发生弯曲,外力撤销后自发恢复,该过程可以反复进行并且不发生断裂,表现出优异的弹性性能。在液氮(77 K)这样的超低温环境,上述操作同样可以反复进行,表现出独特的超低温弹性性能。单晶结构表明,晶体内分子通过较强的π···π相互作用堆积成链状结构,晶体可以改变π···π相互作用的距离适应晶体弯曲产生的应变,通过分子的轻微转动来适应晶面的曲率变化,丰富的氢键网络可以避免分子产生长程滑移,防止晶体产生塑性。我们对不同温度下的晶体结构进行对比发现,强π···π相互作用、丰富的氢键网络以及交叉排列的分子堆积结构是针状晶体保持超低温弹性的关键,这些因素可以保证晶体内分子构象和堆积结构在低温下得到较好的保持,从而减少对晶体弹性弯曲能力的影响。此外,针状晶型向块状晶型转变时晶体的材料力学性能也会发生转变,我们基于此性质设计并实现了热定型晶体加工方法。该项研究不仅解决了现有柔性高分子材料低温变脆的难题,为柔性晶体材料的应用开辟了新的道路,更为人们未来探索极端低温环境如极地、地外空间等提供了助力。
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