《光电功能材料的分子设计研究》

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激光出现以后,产生了一门新的边缘科学——非线性光学。近年来人们对有机材料进行了广泛的研究,发现它们具有更大的非线性极化率(超极化率,非线性光学系数),从而是更有希望的非线性光学材料。要进一步设计合成出新的更有效的非线性光学材料,除了在实验上进行广泛的研究探索外,理论研究也是十分必要的。  双光子吸收是非线性光学现象的一种,最初是在半导体材料中发现的,最近的研究工作大量转向有机材料,已经发现双光子吸收在很多高科技领域有重要的应用如通过双光子吸收实现光限幅,可用于战场激光防护,对抗击激光武器的致盲破坏。双光子吸收的本质和起源是什么?分子结构和双光子吸收性质之间有何内在联系?在此基础上,进一步通过分子设计,从理论上寻找综合品质优良的双光子吸收材料,这也是本项目的研究目标。  21世纪是信息科学技术及产业飞速发展的时代。信息产品中人机对话的最终媒介是显示屏,近年来通讯业的高速发展和计算机的迅速普及,对显示器的要求越来越高,平板显示将逐渐成为显示技术的主流。  目前,在平板显示中液晶产品仍占整个平板显示的主要份额,这主要是因为液晶显示器有超薄、轻便、体积小、无辐射等优点,但它也有某些不足,主要问题是响应速度慢、被动发光(需要照明光源)、视角窄和工作温度范围窄等。为了解决这些问题,国内外的科学家都在努力探索、寻找、开发各方面性能更优异的产品。  有机电致发光材料和器件(OLED:organic light emitting diode或device)作为第三代显示技术随之应运而生。目前OLED的研究已成为国际科学前沿和热点领域,各国产业界亦已投入巨大人力、物力,致力于这一研究领域。研究有机电致发光材料的分子电子结构,在了解分子电子结构与发光及载流子注入与传输性能关系的基础上,通过分子设计,探索改进材料的结构,实现对性质的调控,得到优良的多功能材料是本项目的研究目的及意义。  本项目属量子化学领域。  主要内容为用量子化学方法(从头计算,密度泛函理论和半经验方法)对下列三类光电功能材料进行分子设计研究:(一)非线性光学材料;(二)双光子吸收材料;(三)电发光材料。  设计并编制了FTRNLO软件,可计算频率相关的二阶非线性光学系数β和三阶非线性光学系数γ,建立了一套全面深入研究各种碳笼的结构、稳定性、光谱及非线性光学性质的方法,并用来研究各种碳笼各种异构体及其金属碳笼、碳笼衍生物等,许多属于理论预测,如C60O3 C3V异构体是我们在理论上首次发现的,其后被Yusuke,Tajima等在实验上证实。  首次提出了“电子化物”新概念,研究了一系列电子化物,发现额外电子是显著提高非线性光学系数的重要影响因素。  通过计算三阶非线性光学系数γ的虚部得到双光子吸收截面δ,用此方法和自编程序计算研究了一系列分子的双光子吸收性质,包括一维共轭线型分子(以二苯乙烯为代表),二维共轭平面分子(以卟啉,酞菁为代表),三维共轭立体分子(以C60为代表),及八极矩和准八极矩分子,通过从理论上设计不同的分子结构,可达到改变双光子吸收波长和截面的目的。  建立了一套用量子化学理论,对电发光过程的每一步:包括空穴和电子注入,空穴和电子传输,空穴和电子复合形成激子、发光,进行表征、计算、研究的方法,发现光致发光和电致发光本质相同。用这套方法,对小分子(包括金属有机配合物)、低聚物和高聚物进行了计算研究,发现通过分子设计,改变分子结构,可实现对发光波长及载流子注入与传输速率的调控,为得到各方面品质优良的OLED材料提供了理论上的支持。  本项目的研究成果对光电功能材料的基础研究起到推动作用。

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