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钙钛矿型离子液晶的制备、表征与模板应用

高峰青  
【摘要】: 含金属离子的液晶因其具有独特的性质和潜在的应用前景而受到人们广泛的重视。本论文主要是利用离子液体构建该类型液晶,并对其性质、结构进行表征分析,同时对它作为模板现场制备半导体纳米粒子的应用进行初步的研究,研究内容主要包括三部分: 第一部分,设计合成了十六烷基咪唑氯化物及溴化物与不同的金属卤化物形成的钙钛矿型金属离子液晶,并通过旋转涂膜的方法获得了其结构薄膜。采用元素分析得到产物组成和纯度;分别通过傅立叶变换红外光谱考察了氢键的形成、用X-射线衍射分析了产物的层状结构,用差示扫描量热测试了产物的热力学性质。利用该化合物作为模板,与硫化氢气体反应制得半导体纳米粒子,并对其形貌进行了分析。 研究发现十六烷基咪唑氯化物与Cu和Zn氯化物形成的杂合体[C_(16)-mim]_2-[CuCl_4]与[C_(16)-mim]_2[ZnCl_4],加热时均存在SmA相;而与溴化物形成的杂合体[C_(16)-mim]_2[CuBr_4],加热融化后只得到各向同性相液体。出现液晶相的原因可能是由于随着烷基链中碳原子数目的增加,范德华力的影响不断加强,整个分子的极化率与分子之间的侧向吸引力增加;同时,长链末端基CH_3-距极化率高的咪唑环越来越远,分子间的末端吸引力减少,呈现为近晶相的趋势越来越大,当碳链长度达16个碳时,分子之间的侧向吸引力已占主导地位,分子发生微相分离排列成层,导致了层状近晶相的形成。溴化物不出现层状相的原因,推测是由于溴离子的加入使得电子分布相对离散,且溴离子的半径比氯的大,形成的无机框架大,使得整个分子的长宽比减小,分子极化率降低,微相分离不明显,未形成层状相。 溴化铜钙钛矿层状固体模板与硫化氢气体反应后,得到的硫化物粒子的直径大都为1~2nm,无聚集粘连;而氯化锌钙钛矿层状固体模板与硫化氢气体反应后,生成的纳米粒子主要是以丝状或者团簇存在。这说明无机络离子对模板结构以及纳米材料的形貌也有一定的影响。 第二部分,通过简单可行的方法构建了吡啶类金属离子液晶,研究了不同金属离子对其结构、性质尤其是液晶相态的影响,探讨了此类模板对半导体纳米粒子制备的影响,探寻了钙钛矿型层状固体模板组装半导体纳米结构材料的规律。 通过POM、DSC等测试手段,考察制备杂合体的热力学性质。在[C_(16)-Py]_2[CuBr_4]中未观察到各向异性的双折射现象,而且该物质熔程短,说明这种杂合体不具有液晶性。同时它具有比较低的熔点,在偏光显微镜下观察到该杂合体由各向同性液体冷却形成固体时,具有明显的滞后性,有可能作为液晶材料的添加剂。 以吡啶类离子液晶作层状固体模板,现场制备硫化物纳米粒子。通过TEM观察了以不同浓度[C_(16)-Py]_2[PbCl_4]的乙醇溶液制作模板,与硫化氢气体在不同反应时间所形成的硫化铅纳米粒子的形貌,发现随着模板厚度的增加,粒子的聚集程度随之越来越严重。以一定浓度的[C_(16)-Py]_2[CuBr_4]乙醇溶液制作模板,随反应时间延长,粒子形貌由碎晶片无定型结构向球形小粒子稳定形貌转变。[C_(16)-Py]_2[ZnCl_4]与硫化氢反应得到柳叶状ZnS聚集体,分析这是由于粒子的成核中心与硫化氢气体接触面积不同,生长速度有所差异,导致部分区域粒子生长快,部分区域粒子生长慢,造成模板局部变形挤压,最终形成柳叶型聚集体。 第三部分,选择金属氯化物和溴化物与有机胺形成钙钛矿结构,考察有机烃链长度、中心金属离子种类对产物结构和性质及模板结构影响,研究了无机层的金属离子及卤素离子对晶体结构的影响。 通过考察体系热力学性质发现,该类物质的热致相变较咪唑类、吡啶类钙钛矿结构属于低温度相变,并且发生了可逆的固固转变,焓变较大。同时该类物质的分解温度相对较低,大都未到达各向同性相就分解了,但此类物质存在可逆的固固转变,这是由于有机部分发生扭曲,由二维有序结构变为无序结构而引起的。选择金属氯化物与直链有机胺形成的钙钛矿型有机/无机层状晶体为模板,与硫化氢气体进行化学反应,现场制备金属硫化物半导体纳米粒子,得到圆片状粒子,不同模板厚度下的粒子的形貌基本相同,但是稀浓度下制作模板中得到粒子粒径稍大,聚集程度略大。


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