具有双光子吸收特性的咪唑类衍生物的合成及其光物理性能研究

分子在强激光作用下能同时吸收两个光子的现象称为双光子吸收(TPA),具有大的双光子吸收截面(σ2)的分子有多种用途,是目前光电子材料研究领域的热点之一.双光子吸收材料可应用于上转换激射[1]、光限幅[2]、光稳幅、三维光存储[3]、三维微加工[4,5]以及光动力疗法[6]等.但由于一般材料的双光子吸收截面很小,大大限制和束缚了双光子吸收材料的发展应用.     

有机杂环类双光子材料的研究进展

综述了近年来不同结构的杂环类双光子材料的研究进展,并就其发展趋势进行了展望.指出双光子吸收材料在诸多领域有着潜在的应用前景,是光电功能材料领域研究的热点之一;其中杂环类化合物具有较强的推拉电子能力、高的光学稳定性、易修饰.能有效提高材料的双光子性能,是研究的重点.     

具有双光子效应的多核配合物

双光子吸收材料在上转换发光、生物成像、光动力学治疗、三维微结构加工等领域有着广泛的应用。金属配合物可通过金属中心为模板将数个具有双光子活性的有机配体组合成为复杂的多极体系从而增强双光子效应,还能使所得的双光子吸收材料的稳定性、发光寿命以及光谱的可调性得以优化,其中多核金属配合物的双光子吸收截面表现出的“协同增强”效应更是引起广泛关注。本文选取典型的多核配合物（分为同多核和异多核）,重点总结金属离子的种类和数量、配体分子以及配合物的结构等参数对其双光子性能的影响,特别关注多核配合物激发态的结构和能级、能量传递的模式和方向等对其光物理性质的影响机制,希望总结具有双光子活性的多核配合物的分子设计规律。最后,对目前具有双光子活性的多核配合物的制备以及“多核双功能”型配合物的开发研究方面存在的问题进行阐述和展望,以期为新型双光子吸收材料的构筑提供参考。     

香豆素肟酯类双光子引发剂的合成及性能研究

开发高效的双光子引发剂是提升双光子聚合速度的关键。本文基于光致脱羧机制,设计并合成了两种以共轭香豆素作为生色团、肟酯作为引发基团的双光子引发剂,并通过实验测试结合模拟计算对该类引发剂的光物理和光化学行为进行了研究。结果表明,该类引发剂在400~500 nm区域具有较强吸收,在LED可见光辐照下发生分解,具有光漂白特性,光解后释放的活性种可引发丙烯酸酯类单体聚合。利用双光子三维微纳成型技术,该类香豆素肟酯化合物可有效用于构建高分辨率的三维微纳结构。并通过量子化学计算,对该类引发剂的引发机理进行了探讨。     

三芳基咪唑类化合物的合成及其双光子吸收性能研究

双光子吸收是指物质分子或原子在强激光激发下同时吸收两个光子,从基态跃迁到两倍光子能量激发态的过程。目前,双光子吸收材料已广泛地应用到双光子激发显微[1]、频率上转换激射[2-3]、光学限幅、三维光信息存储[4]以及光生物学等领域。但在已报道的双光子诱导上转换荧光的有机     

苯并噻唑衍物的合成及结构-双光子吸收光物理特性关系

报道了三个具有典型A-π-A'型共轭结构的苯并噻唑衍生物的合成及结构-双光 子吸收光物理特性关系。通过对三个化合物的共轭结构增长和拉电子基强度变化对 化合物单光子荧光光谱、双光子诱导荧光光谱和双光子吸收截面等特性的影响研究 ，我们发现，苯并噻唑杂环中的杂原子硫在化合物共轭链链短时对其光物理特性影 响很强，在共轭链较长时影响减弱甚至消失。通常情况下，共轭链长度和拉电子基 强度共同对双光子吸收截面作贡献，我们的研究表明，当共轭链较长时，共轭链的 增长对增强分子双光子吸收截面的贡献远大于拉电子基强度变化的贡献。其中，新 化合物2（2-{4-[2-（4-硝基苯基）-乙烯基]苯基}-乙烯基）苯并噻唑具有双光子 吸收截面大(181*10~(-50)cm~4s/photon)和荧光量子产率高(13.8%)的特点，是双 光子荧光显微与成像应用的一个良好的候选材料。     

苯并噻唑衍物的合成及结构-双光子吸收光物理特性关系

报道了三个具有典型A-π-A'型共轭结构的苯并噻唑衍生物的合成及结构-双光 子吸收光物理特性关系。通过对三个化合物的共轭结构增长和拉电子基强度变化对 化合物单光子荧光光谱、双光子诱导荧光光谱和双光子吸收截面等特性的影响研究 ，我们发现，苯并噻唑杂环中的杂原子硫在化合物共轭链链短时对其光物理特性影 响很强，在共轭链较长时影响减弱甚至消失。通常情况下，共轭链长度和拉电子基 强度共同对双光子吸收截面作贡献，我们的研究表明，当共轭链较长时，共轭链的 增长对增强分子双光子吸收截面的贡献远大于拉电子基强度变化的贡献。其中，新 化合物2（2-{4-[2-（4-硝基苯基）-乙烯基]苯基}-乙烯基）苯并噻唑具有双光子 吸收截面大(181*10~(-50)cm~4s/photon)和荧光量子产率高(13.8%)的特点，是双 光子荧光显微与成像应用的一个良好的候选材料。     

双光子吸收材料的分子设计研究

介绍了双光子吸收材料分子设计原理.为了设计有大的双光子吸收响应的材料,对多种分子进行了系统的理论研究.用量子化学密度泛函理论和AM1方法进行分子几何构型优化.在优化结构的基础上,用ZINDO和自编程序求得分子的单、双光子吸收性质.设计了一些未知化合物,以期为合成新的具有大的双光子吸收截面的材料提供理论根据.以双层二聚二甲苯邻甲酸衍生物、铂乙炔化物、卟啉衍生物、C60、C70、八极矩分子为例,报道了我们在这方面的研究结果.     

3,6-和2,7-咔唑衍生物单光子和双光子吸收性质的理论研究

采用密度泛函理论B3LYP方法以及ZINDO/SDCI方法计算3,6-和2,7-咔唑衍生物的分子平衡几何结构、电子结构及单光子和双光子吸收性质.乙烯基吡啶取代基的位置影响分子的单光子和双光子吸收性质.与3,6-咔唑衍生物相比,2,7-咔唑衍生物的单光子吸收波长红移,振子强度增大;双光子吸收波长红移,双光子吸收截面增加.结果表明,2,7-咔唑衍生物是更好的双光子吸收材料.     

2-芳基-4,5-二噻吩基咪唑类化合物的合成及光谱特性研究

2,4,5-三苯基咪唑类化合物发现具有消炎、二阶非线性光学活性、化学荧光等性能和应用.我们发现,2,4,5-三苯基咪唑类化合物的结构与具有双光子吸收性质的多分枝结构十分类似[1,2].具有双光子吸收(TPA)的有机化合物在光电材料方面有多方面的应用:如光限幅[3]、三维结构微加工[4]、三维光信息存储、频率上转换激光[5],制造用于生物学领域的双光子聚焦显微镜.我们合成了2-芳基-4,5-二噻吩基咪唑类化合物,试图将咪唑环的4,5位上的苯环换成噻吩杂环后,研究其结构变化对双光子吸收等一系列物理光谱特性的影响.     

双光子吸收有机材料及其在三维数字光存储中的应用

信息技术的发展要求存储器件必须具备超高存储密度、超快存取速率以及长存储寿命.而目前普遍应用的光数据存储的存储密度已经接近其物理极限.双光子吸收技术以其强的穿透能力和高的空间分辨率能够实现多层存储,存储密度高达10~(12)bits/cm~3,但能否开发出具有大的双光子吸收截面的材料成为制约其发展的一个重要因素.本文在综述近年来双光子吸收有机材料研究的基础上,介绍了双光子吸收有机材料在三维数字光存储中应用研究的最新进展.     

新型双光子吸收化合物的合成、光物理及其在固态分散体系中的性质

通过多步反应制备了三个新型的双光子吸收化合物,测试了它们的光物理性质,发现该系列化合物具有较大的双光子吸收截面,并且随温度降低其双光子吸收截面增大.尤其是化合物TMVDB,其量子效率为0.83,常温时的双光子吸收截面达到1164GM,其双光子吸收截面除以分子量为2.08,表现出了优良的双光子吸收发光性能.进一步将TMVDB掺杂到固体材料中,得到强双光子诱导发光的固体材料.     

噻吩基卟啉衍生物的单光子和双光子吸收性质的理论研究

本文理论上研究了两个系列的噻吩基卟啉衍生物,这种衍生物在可见光区具有大的双光子吸收截面。用密度泛函理论和ZINDO-SOS方法,计算了分子的几何构型、电子结构,单光子和双光子吸收性质。结果显示噻吩单元的数目影响分子的单光子和双光子吸收性质。具有两个或三个噻吩基团的噻吩基卟啉衍生物在较大范围内具有可用于实际应用中的双光子吸收响应,这一性质有利于这类分子在光限幅中的应用。插入乙炔基有利于扩大共轭范围,增加分子的双光子吸收截面。同时,乙炔基团的加入导致了单光子和双光子波长的红移。从高透明性和相对大的非线性光学响应考虑,噻吩基卟啉衍生物是一类有应用前景的双光子吸收材料。     

反式-4,4’-二（邻甲氧基苯乙烯基）联苯化合物的合成、结构及光物理性能

以Wittig-Homer反应合成了反式对称的4,4’-二(邻甲氧基苯乙烯基)联苯化合物, X射线衍射分析测定了化合物的晶体结构. 测定了其在不同溶剂中的线性吸收光谱、荧光发射光谱及荧光量子产率. 飞秒激光做光源研究了化合物的双光子光物理性能. 测试结果表明: 该化合物在蓝光波段有较强的荧光发射, 化合物具有较高的荧光量子产率和较大的双光子吸收截面, 具有双光子诱导蓝光发射光学特性.     

反式-4，4′-二（邻甲氧基苯乙烯基）联苯化合物的合成、结构及光物理性能

以wittig—Homer反应合成了反式对称的4,4′-二（邻甲氧基苯乙烯基）联苯化合物,X射线衍射分析测定了化合物的晶体结构．测定了其在不同溶剂中的线性吸收光谱、荧光发射光谱及荧光量子产率．飞秒激光做光源研究了化合物的双光子光物理性能．测试结果表明：该化合物在蓝光波段有较强的荧光发射,化合物具有较高的荧光量子产率和较大的双光子吸收截面,具有双光子诱导蓝光发射光学特性．     

两种基质中Er~(3 )的上转换发光特性

合成了一种新型共掺杂Er3 和Yb3 的氟氧化物 (ZnF2 SiO2 基质 )材料 ,研究了Er3 在这种基质材料中的吸收和在 980nm激发下的上转换发光 ,并对比了同等激发条件下Er3 离子在ZBLAN玻璃和这种氟氧化物中的上转换发光特性。实验发现两种基质中Er3 离子吸收峰位置基本相同 ,但吸收强度明显不同。氟氧化物中Er3 离子的上转换发光强度要低于ZBLAN基质中Er3 离子的上转换发光强度 ,不同的是Er3 离子在氟氧化物基质中红光发射强度要强于绿光强度。分析了两种基质中Er3 的上转换发光机制 ,氟氧化物基质中Er3 离子红绿光发射均为双光子过程 ,ZBLAN基质中Er3 离子绿光发射为双光子过程 ,而红光发射为双光子和三光子混合过程。     

两种基质中Er^3＋的上转换发光特性

合成了一种新型共掺杂Er^3 和Yb^3 的氟氧化物（ZnF2-SiO2基质）材料,研究了Er^3 在这种基质材料中的吸收和在980nm激发下的上转换发光,并对比了同等激发条件下Er^3 离子在ZBLAN玻璃和这种氟氧化物中的上转换发光特性。实验发现两种基质中Er^3 离子吸收峰位置基本相同,但吸收强度明显不同。氟氧化物中Er^3 离子的上转换发光强度要低于ZBLAN基质中Er^3 离子的上转换发光强度,不同的是Er^3 离子在氟氧化物基质中红光发射强度要强于绿光强度。分析了两种基质中Er^3 的上转换发光机制,氟氧化物基质中Er^3 离子红绿光发射均为双光子过程,ZBLAN基质中Er^3 离子绿光发射为双光子过程,而红光发射为双光子和三光子混合过程。     

取代基对二噻吩并噻吩衍生物的双光子吸收性质的影响

利用ZINDO/SOS方法, 从理论上研究了对称和不对称取代两种情况下, 取代基对二噻吩并噻吩衍生物单双光子吸收性质的影响. 结果表明, 所设计的噻吩类分子具有较大的双光子吸收截面, 且双受体取代比双给体取代更有利于增大分子的双光子吸收截面. 同时发现, 此类分子受体取代可以显著增加波长较短的双光子峰附近的双光子吸收, 而给体取代则可以改善波长较长吸收峰附近的双光子吸收.     

二吡唑铝化合物双光子吸收性质的理论研究

应用密度泛函理论(DFT)和半经验的ZINDO方法对二吡唑铝化合物的单、双光子吸收(OPA、TPA)性质进行了研究.结果表明,铝氮烷杂环化合物具有好的双光子吸收性质,其双光子最大吸收截面值(δmax)可达到2860.1 GM(1 GM=10-50 cm4·s·photon-1).在中心、共轭桥和末端引入强的吸电子基团可调谐单、双光子吸收光谱,实现在不同波长范围的双光子吸收;利用三态公式分析了分子的双光子吸收截面变化的内在原因;铝氮烷杂环化合物与其相应的硼化合物相比,表现出类似的单、双光子吸收性质,但一定程度上可增大双光子吸收截面.     

含三种不同π电子中心的几种双光子吸收材料的理论研究

用密度泛函理论及ZINDO方法,从理论上研究了含二苯乙炔、二苯乙烯和偶氮苯等3种不同π电子中心的几种非线性光学(NLO)材料的双光子吸收截面δ(ω)及三阶非线性光学系数(γ).同时以正确的分子几何构型及UV-Vis光谱为基础,系统地研究和对比了它们的单光子吸收(OPA)和双光子吸收(TPA)的吸收峰位置.