染料掺杂SiO_2凝胶复合体系光学性质研究

【摘要】： 溶胶-凝胶湿化学方法在制备无机基质材料中的应用为有机染料的掺入提供了一种可行和有效的方法，极大的推动了有机-无机复合光功能材料的研究。这一领域始终处于活跃状态，特别是固态染料激光器的研究步伐更快。各种荧光染料、激光染料、NLO染料及光致变色染料等相继被引入到无机基质或有机改性硅酸盐中。 二氧化硅(SiO_2)凝胶具有许多独特的性能，如良好的绝热性，密度低且具有多孔结构，透明性好，反射指数低，机械弹性好，表面积大等，使其在光学、催化、传感、高能物理、机械等领域获得了广泛应用。尤其是近年来随着溶胶—凝胶科学技术的兴起和飞速发展，大块气凝胶制备的难点—开裂问题已经被解决，使得SiO_2凝胶具有了更为深远的应用前景。 本文是利用溶胶-凝胶工艺将有机染料均匀掺入到二氧化硅凝胶基质，以研究复合材料的组成、结构和性能间的相关规律，为制备性能优异的固体可调谐染料激光器提供理论依据和工艺条件。 第一章是溶胶-凝胶工艺综述，简要介绍了有机-无机复合的应用发展及所存在的问题，提出所要研究的课题。讲述了溶胶-凝胶的基本原理及反应过程中工艺条件(如水的加入量、催化剂、陈化时间、反应温度、溶剂等)对SiO_2凝胶结构的影响，最后总结了防止凝胶开裂的措施和SiO_2凝胶作为基质的优势。 第二章实验方法中通过对工艺参数的考察和优化，选择合适的实验条件，成功制备了结构致密均匀，孔径较小的SiO_2凝胶样品。在此基础上，选择合适的有机染料，将其均匀掺入到SiO_2凝胶基质中。 第三章研究了染料掺杂的SiO_2凝胶复合体系的光学性质。光谱分 1 摘 要 第2页 14ff表明；有机染料掺杂于 SIOZ凝胶中，由于a，“笼”的保护作用， 】大大提高了染料分子的稳定性。同时染料分子被固定在基质网络的 1“笼” 中，对染料分子起到孤立和约束的作用；染料基本以单体的形 ］式存在，因而表现出与单分子相似的发光特性，其发光性能提高。 1 作为有机活性物质的载体，凝胶掺杂微环境的变化必将影响染料 1 的存在状态，从而影响复合体系的光学性质，因止匕 重点研究了有机 D 聚合物（聚乙烯醇）的加入对复合体系发光的影响及不同催化条件下 I 制得的样品的光谱特征。在先驱液中加入少量有机聚合物聚乙烯醇 1（PVA） 不仅改善了孔结构，使孔径分布窄，凝胶在干燥过程中不宜开 D 裂，而且使掺于其中的染料分子的迁移运动受到限制；降低了非辐射 I 跃迁的几率，提高了染料的荧光强度。香豆素 102（CI 02）在不同状 1 态下的荧光分析表明，无论是碱还是酸催化所得薄膜复合材料，CI 02 ］分子在其中基本都以单体的形式存在。碱催化的样品其结构更有利于 I 染料以单体的形式存在，但碱催化的膜表面粗糙，结构疏松，而酸催 1 化的膜表面平整，结构致密。所以以 HCI为催化条件的样品适合更进 1 一步的应用。 ？第四章研究了二元混合染料体系在二氧化硅凝胶中的能量传递及 1 发光情况。C102：R上6G H元混合染料间存在着能量传递，将其掺杂到 ISIO。凝胶中，发现与无水乙醇溶液中相比；能量转移效率增加，光谱 I 展宽，原因可能是出。凝胶基质更有利于能量的有效传递。实验结果 ］表明，所制备的SIOZ凝胶基质既大大提高了有机染料的淬灭浓度，又 1 展宽了染料的可调谐带宽，提高了能量的传递效率。所得复合材料是 ？一种较好的固体染料激光材料，为进一步研制固体可调谐染料激光器 1 提供了理论及实验依据。