有机光学材料概要.ppt

富勒烯衍生物 富勒烯(Fullerene)是人类发现的除了金刚石与石墨以外的第三类稳定的碳同素异构体 C60：由60个碳原子组成的32面体，包含12个五边形和20个六边形，五边形彼此不连接，只与六边形相连。 C60 ：高度对称的结构，包含的空腔内可以容纳多种原子，是迄今发现的最具圆形的分子。 所有的碳原子等效，碳原子以SP2杂化轨道的形式与周围三个碳原子形成σ键，剩余的p电子轨道垂直于C60分子的外围和内腔形成π键，具有独特的三维共轭电子结构。 强的电子亲和势(2.56eV) 电子迁移率可以高达10-3cm2/Vs 聚合物/富勒烯：快速光诱导电荷转移——有利于激子的电荷分离 光学材料与元件制造第七章 * PPV衍生物:PCBM本体异质结太阳能电池 光学材料与元件制造第七章 * 光学材料与元件制造第七章 * 分子主链含腈基的PPV衍生物的分子结构，光学带隙从不含腈基分子的1.94eV降到了1.55eV PT衍生物: PCBM本体异质结太阳能电池 聚噻吩衍生物是共轭聚合物/富勒烯共混体系中重要的电子给体材料。 侧链烷基长度大于4个碳原子的烷基取代聚3-烷基噻吩(P3AT)具有很好的溶解性与可加工特性。 己基取代聚噻吩(侧链碳原子数目为6个)P3HT：目前已经报道的最广泛应用的高效聚合物光伏材料。 P3HT分子的区域规整性，分子量大小以及制备过程中的退火工艺都能影响载流子迁移率， 聚噻吩分子的带隙和电子能级位置可以通过引入不同的取代基来进行调节。 光学材料与元件制造第七章 * 一些P3AT的衍生物分子式，分别引入了烷氧基，具有空间位阻基团，腈基以及炔基等 7.4.有机光学非线性材料 有机光学非线性材料具有很大的非线性系数和极快的响应时间 具有共轭电子离域体系。电子云的非对称运动导致强烈的非线性电子极化过程，与性能最好的无机材料相比，有机物的光学非线性极化率参数要高数个数量级 瞬态非线性响应时间能够小于ps(共振非线性)，甚至是fs(非共振非线性) 有机材料的分子设计，结构优化的自由度非常大，通过”分子裁剪”技术将所需要的推拉电子功能团接入分子结构中 适合薄膜与波导制造工艺，材料可以是有机单晶、有机-无机单晶、客体生色团(chromophore)-主体聚合物复合体系、聚合物、LB(Langmuir-Blodgett)膜等多种形态。 基于有机非线性材料体系的应用已经包括光纤通讯、光计算、成像、动态全息、光开关及数据光存储等多个领域。 光学材料与元件制造第七章 * 1.有机非线性材料相关物理 光学材料与元件制造第七章 * 非共振光学非线性与共振非线性效应 根据入射光的频率与材料吸收的关系，可以将光学非线性效应分成共振响应(resonant response)及非共振响应(non-resonant response)。 共振响应的光学非线性效应，入射光的频率落在光学非线性材料的吸收区域，材料的吸收是源于带间跃迁过程或共轭链的振动模式所致。 非共振响应的光学非线性效应，指的是入射光位于光学非线性材料的透明区域，在该区域不会产生对于入射光子的单光子吸收。 光学材料与元件制造第七章 * 非共振光学非线性效应 光学非线性源于强光场作用下共轭离域体系电子云的扰动与非线性畸变。 在fs的响应时间内会产生相比于共振响应较弱的非线性折射率变化及非线性吸收变化，而吸收的变化是由于体系中出现的多光子吸收效应。 响应时间非常快，超快响应(ultrafast response)，经常应用于光信号处理器件等方面。 光学材料与元件制造第七章 * 共振光学非线性效应 “饱和吸收”(Saturable Absorption)的现象。 饱和吸收效应会导致激励光频率处有效吸收的下降，从而产生的“烧孔”效应，在数据光存储领域有重要的应用。 折射率变化：光致顺式-反式异构化反应—— 分子偶极矩发生变化 光学材料与元件制造第七章 * 偶氮苯染料分散红1的光致反式-顺式异构化反应的结构变化，由于分子构型的变化，导致了较大的光学非线性效应 2. 二阶有机光学非线性材料 分子结构中有以共轭π系统连接的电子给体基团D和电子受体基团A(简称AπD) 整个分子在非共振波长激励光的作用下会造成几乎同步的整个分子π电子的移动，导致电子云密度呈现不对称的变化，以此产生强烈的和快速的极化效应 较长的共轭链会导致较大的一级分子超极化率β,但同时可能会减少被允许的光学跃迁能量。 给电子基团D形成sp3杂化轨道，具有更多p轨道特征，p轨道上通常具有电子对； 受电子基团A则通常形成sp2或sp杂化轨道，具有更多的s轨道特征。 给电子基团：O, NMe2, NH2, OCH3和CH3, 受电子基团：CN, CF3, CHO, C