用于集成光学的卟啉接枝SiO2复合材料及其三阶光学非线性特性研究【开题报告】.doc

毕业设计开题报告 电子信息科学与技术 用于集成光学的卟啉接枝SiO2复合材料及其三阶光学非线性特性研究 一、选题的背景与意义 卟啉是卟吩外环带有取代基的同系物和衍生物的总称，当其氮原子上2个质子被金属取代即为金属卟啉。卟啉被广泛应用于生物化学、分析化学、催化化学、药物化学、石油化学等众多领域[1]。自从1985年，爱尔兰Trinity大学的Blau[2]首次报道了卟啉化合物的光限幅性能，各国学者相继开展了卟啉的非线性光学效应研究[3-6]。由于卟啉是具有18电子大π体系的平面型分子，其骨架结构特征和可通过选择中心离子、轴向配体和在外环上引入功能性取代基等方法对其分子进行可修饰，这种特征使它们具有特殊的物理、化学性质，特别是非线性光学效应。因此使该类材料成为非线性光学领域研究的热点，在光电子技术和集成光学领域有着潜在应用价值。 目前卟啉及其衍生物的应用材料形态来说，主要有粉沫态、溶解于有机溶剂中的液体、沉积于基板上的聚合态、掺杂于高聚合物中固态等。制备出均匀、透明、具有一定卟啉掺杂浓度的有机－无机复合固体材料是开展其在光学、电学应用的重要方面，从而实现该类材料的器件化、全固化以及拓宽其在光电领域新的应用[7-8]。溶胶－凝胶技术是一种结合有机功能分子与无机基质的有效工艺手段。但是，很多研究发现，应用该技术，把卟啉掺杂于无机凝胶中时，由于凝胶结构的收缩和溶剂的挥发极易导致其聚合，从而产生严重的浓度猝灭效应。如何提高卟啉分子在无机基质中的掺杂浓度，使它们以单分子形式均匀分散于基质中而不聚合，从而获得具有强光电效应、集卟啉与无机介质性能于一体的复合材料，对于卟啉的性能与拓宽其应用研究起到极其重要的作用，也是该研究领域的难点。 二、研究的基本内容与拟解决的主要问题 　通过卟啉配合物Meso-四(4-羧基苯基)卟啉铜(简称Cu(II)–TCPP)中的羧基与-氨基丙基三乙氧基硅烷(NH2(CH2)3Si(OC2H5)3,KH550)中的氨基的相互化学作用，把卟啉配合物接枝到KH550中，随着KH550中乙氧基的水解与聚合反应的进行，卟啉铜连接到固体介质中，从而大幅度提高卟啉在无机固体介质中的掺杂浓度。将反应产物与γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷(CH2CHCH2O(CH2)3Si(OCH3)3,KH560) 相杂化，形成物化性能良好的、连接卟啉的有机-无机复合材料。用红外光谱表征Cu(II)–TCPP与KH550的化学反应产物，用紫外－可见吸收光谱研究Cu(II)–TCPP的分子状态。应用Z扫描技术研究不同Cu(II)–TCPP掺杂浓度的复合材料的非线性光学性质及其三介非线性折射率。 三、研究的方法与技术路线 Meso-四(4-羧基苯基)卟啉铜(简称为Cu(II)–TCPP)（非水溶性）购置于百灵威公司，化学试剂KH550，KH560及乙醇均为分析纯。首先把Cu(II)–TCPP与KH550加入到装有冷凝装置的化学反应瓶中, 在回流装置的空气接口通入氮气, 以防止KH550醇盐吸湿而发生水解和聚合反应，混合物在180 oC下加热搅拌24h,进行缓慢有机化学合成反应，获得透明深棕红色液体。以该反应物为原料，把其与KH560相复合，制备了Cu(II)–TCPP-KH550/KH560复合有机－无机固体材料（KH550与KH560的摩尔比为1/5）。其工艺合成过程如流程图1所示。获得的溶胶放置于玻璃表面皿内，在室温下陈化约40天。最终合成的凝胶块表面光滑成深红色，样品直接用于光学性质的测试。 图1 制备含Cu(II)–TCPP凝胶样品的流程图 采用Perkin-Elmer-Lambda 950 UV/VIS型吸收光谱仪，测量范围为300―2200nm对制备的不同卟啉铜掺杂浓度的凝胶样品进行紫外/可见吸收光谱测试。 采用FTIR-8400型红外光谱仪，测量范围为400―4000cm-1对Cu(II)–TCPP与KH550的反应产物进行了傅立叶红外吸收光谱测定。 非线性折射率用Z扫描法测得，采用的激发光为Mira 900-D型钛宝石飞秒激光器（泵浦源为10W的532nmNd3+：YVO4激光器），脉冲宽度为200fs，重复频率为76MHz，波长调谐范围为700-1010nm，功率稳定度≤±3%，详细的实验过程见文献[11]报道。 根据Z扫描实验原理，非线性折射率可以有以下公式计算[12-14]： (1) 其中为真空中的光速（），非线性折射率可以有以下公式计算： (2) 是入射波波长，为激光脉宽，入射激光在透过双凸透镜的束腰半径，为扫描透过峰谷的变化值，S为光阑小孔的透射率（，为小孔半径，为小孔处光斑半径），为样品的有效长度