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《苏州大学》 2019年
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有机多级微纳结构的精确自组装合成及其光子学研究

卓明鹏  
【摘要】:有机晶体材料不仅具有分子结构可裁剪性、可低温溶液处理加工性、柔性和可调的光电性能等化学优势,而且具有低缺陷密度、规则形貌、高的载流子迁移率等物理特点,广泛运用于有机场效应晶体管、有机电致发光晶体管以及有机固体激光器等众多光电器件中。由于结晶特性的多样性和分子间非共价作用的难操控性,有机晶体材料可控制备面临着巨大的挑战。有机低维材料通常采用简单溶液自组装、物理气相沉积以及模板制备,但是有机低维材料越来越难以满足光电器件微型化和集成化的发展需求。因此,多级有机微纳结构的精确合成对有机集成光电子学的科学研究发展具有重要的基础研究意义和广阔的运用前景。通过调控初级/多级囟组装过程中分子间非共价作用,实现了有机多级微纳结构材料的精确合成,并系统研究其生长机理以及其光子学性能,具体研究内容如下:1.采用“自下而上”和“自上而下”的协同方法,经过逐步进化可控制备了直径为120±10 nm的有机单晶态纳米线:乙醇分子首先将溶液自组装的DMHP微米棒中金字塔型端头({111}s和{11-1}s晶面)刻蚀成平整端头,再沿微米棒中心({002}s晶面)刻蚀获得微米管,最后选择性在微米管管壁沿着轴向刻蚀获得尺寸均匀纳米线。质子性溶剂(如乙醇)的各向异性刻蚀对整个形貌演变至关重要。进一步基于类似协同方法,通过调控溶剂体系可控制备了 DPEpe-F4DIB有机微米棒和微米管。由于中空管状结构的界面对光子具有良好的限域作用,微米管的光学损耗(0.0145 dB/μm)比微米棒的光学损耗(0.0341 dB/μm)低得多。该协同策略为有机微米管和纳米线的可控制备开辟了一条新途径。2.通过溶液自组装可控制备了二维DPEpe-F4DIB共晶,得益于分子各向异性排列引起的单向全内反射,二维共晶具有晶向选择不对称光波导特性,沿[010]晶向的光学损耗系数为RBackward=0.0346 dB/μm,RForward=0.0894 dB/μml。基于二维DPEpe-F4DIB共晶不对称光子传输,实现了多输入/输出通道的光学逻辑门运算。3.通过对溶液自组装的DPEpe和DPEpe-HCI单晶态微米棒进行可逆质子化或去质子化作用,可控制备了组分可互换的一维有机核/壳微米棒。在DPEpe质子化形成壳层的过程中,生动可视化地展现出核层DPEpe与壳层DPEpe-HCl间高效的能量传递显示的可调发光颜色。DPEpe/DPEpe-HCl和DPEpe-HCl/DPEpe核/壳微米棒协同作用实现了从绿色(CIE(0.326,0.570))到黄色(CIE(0.516,0.465))和红色(CIE(0.614,0.374))连续可调多色光波导特性。4.基于多级自组装中对分子间非共价相互作用(氢键:-15.66kcal/mol、卤素键:-4.90 kcal/mol、π-π相互作用:-0.09 kcal/mol)的调控,精确合成了纵向/横向外延生长的三嵌段和核/壳结构纳米线。在有序结晶的面选择外延生长过程中,晶格匹配和表面界面能平衡分别促进了三嵌段和核/壳异质结的实现。通过调整氢/卤键的形成比例,实现了对有机异质纳米线中红色发射区的长度比例或核心部分的暴露程度的定量化调控。多级自组装为有机多级微纳结构的精确构建提供了有益的启示,促进了有机集成光电器件的发展,如具有高保真信号和绝对开关状态识别的纳米级多输入/输出光逻辑门运算。
【学位授予单位】:苏州大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:O621

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