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全息光折变高分子材料的组成条件

2022-04-16

  全息光折变高分子材料主要包含四个组分:光敏剂(photosensitizer)、光电导体(photoconductor)、生色团(chromophore)。和高分子基体(polymer)。此外,在部分全息光折变高分子材料中还会添加增塑剂,以促进载流子迁移。

  一、光敏剂

  光敏剂的功能是吸收光子,并通过电荷分离产生载流子。有机小分子、金属有机化合物、半导体量子点均可作为全息光折变高分子材料的光敏剂。常见的光敏剂有C60、PCBM、TNF和TNFM。在全息光折变高分子材料中,光敏剂的含量一般在1wt%左右。

  光敏剂吸收光子产生电荷需要经过三个步骤:吸收光子、电子转移、电荷分离。光敏剂吸收光子后,电子从最高占据分子轨道(highest occupied molecularorbital,HOMO)跃迁到最低未占分子轨道(lowest unoccupied molecular orbital,LUMO),使光敏剂进入激发态。与基态相比,处于激发态的光敏剂易给出或接受电子而发生氧化或还原反应。光电导体(A)如果具有较强氧化性,则可接受激发态光敏剂(D*)的电子,生成负电荷中心。同时,光敏剂生成正电荷中心。在库仑力作用下,正、负电荷中心紧密连接在一起。正、负电荷中心由于分别具有强的氧化和还原性质,容易发生电荷复合,使处于电荷分离状态的物种回到始态。但是,在外加电场作用下,处于电荷分离状态的正、负电荷中心摆脱库仑力的束缚,形成可移动的载流子。值得注意的是,所施加的电场强度通常较高,甚至高达几千伏。

  二、光电导体

  在全息光折变高分子材料中,光电导体通过氧化还原反应输运载流子。输运载流子的官能团主要以三种形式存在于高分子基体中:①以小分子掺杂的方式分散在高分子基体中;②作为高分子主链的一部分;③以侧链形式接枝在高分子上。在后两种情况中,光电导体同时也是高分子基体。

  光电导体通常具有较强的氧化或还原能力,若为氧化剂则为电子传输介质,若为还原剂则为空穴传输介质。在全息光折变高分子材料中,光电导体通常是含有芳胺、咔唑等还原性基团的物质,因此主要传输空穴。同一种光电导体不能同时输运电子和空穴,否则会造成电子和空穴的湮灭,进而导致内部空间电荷场消失。常见的光电导体有TPD-PPV、PSX-CZ、PVK、PATPD/CAAN。

  三、生色团

  在全息光折变高分子材料中,生色团主要对强度呈正弦分布的空间电荷场产生响应,通过非线性极化产生电光效应,进而产生折射率的空间调制,形成光栅结构。生色团一般由电子给体、共轭桥、电子受体三部分组成。这种具有推拉电子结构的分子构型,可显著改变共轭桥(通常为大π键)的极性,使生色团具有大的基态偶极矩和第一超极化率。为降低生色团之间的偶极-偶极静电相互作用、抑制宏观各向同性和中心对称排列所导致的偶极矩减弱效应,进而提高生色团的非线性光学响应能力,一般在生色团中引入大位阻的非共轭基团。常见的生色团有DCDHF-6、DCDHF-6-C7M、DMNPA、MNPA、DEANST、DB-IP-DC和AODCST。

  四、高分子基体

  高分子基体赋予全息光折变高分子材料良好的自支撑性和可加工性,并促进光敏剂、光电导体和生色团之间的相互作用。常用的高分子基体有聚N-乙烯咔唑、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚硅氧烷等。如前所述,输运空穴的官能团可以位于高分子主链中或接枝于高分子侧链上,此时高分子基体也是光电导体。类似地,生色团也可通过共价键与高分子链相连,实现光折变高分子基体的双功能化。甚至还可以将光电导体、生色团和光敏剂通过共价键与高分子链相连。实现高分子基体的多功能化。

  五、增塑剂

  增塑剂的功能主要是降低高分子材料的玻璃化温度。常见的增塑剂有邻苯二甲酸二苯酯(DPP)、磷酸三甲苯酯(TCP)、邻苯二甲酸丁苄酯(BBP)。值得注意的是,一些小分子光电导体,如N-乙基咔唑(ECZ),也具有增塑作用,可以看成是兼具光电导体和增塑剂功能的组分。

  文章内容引用自专业教材,以便高分子科学工程、光学工程等领域的科技工作者作研究参考,未经本书原作者的许可,任何第三方不得复制或者转载本文内容。