新型有机共轭聚合物半导体材料的自由载流子吸收和光限幅性能研究

The studies of optical-limiting (OL) materials and devices are frontier topics in the fields of nonlinear optics (NLOs), and showing significant applications in laser-protective areas. Based on the free-carriers absorption (FCA) effect, inorganic semiconductors have exhibited excellent OL properties. It is contribute to increase OL properties and broaden OL band that accomplishing FCA effect in organic semiconductors (OSCs). This project intends to design and synthesize a series of novel metal-incorporated organic conjugated polymeric semiconductors which owning one-dimensional chain and two-dimensional net structures by utilizing the advantages that the properties can be controlled easily by molecular structure modifications. Furthermore, studying the relationships between molecular structure, FCA effect, and OL property, illuminating the conditions of photo-induced free-carries, revealing the internal relationships between free-carries and OL performance, as well as exploring regulatory mechanisms of FCA-based OL effect of OSC materials. This project will enrich the structures and theories of OSCs, discover OL properties of novel organic conjugated polymeric semiconductors, and finally develop broadband OL materials and technologies. Therefore, this project have important scientific significance and application value.

光限幅材料和器件是非线性光学研究的前沿课题，在激光防护等领域有重要的应用前景。基于自由载流子吸收效应的无机半导体材料已表现出优异的光限幅性能。实现有机共轭半导体材料的自由载流子吸收效应将有助于提高材料的光限幅性能，拓宽限幅波段。本申请项目利用有机半导体材料的结构易修饰、性能易调控等优点，设计合成一系列含金属的新型一维链状和二维网状结构的有机共轭聚合物半导体材料。进而研究其“分子结构-自由载流子吸收效应-光限幅性能”之间的关系，阐明光诱导自由载流子产生的条件，揭示自由载流子与光限幅性能的内在联系，探索有机半导体材料中基于自由载流子吸收效应的光限幅性能的调控机制。本项目的研究将丰富有机半导体材料的结构和理论，探索新型有机共轭聚合物材料的光限幅等非线性光学性能，拓展宽波段光限幅材料和技术，具有重要的科学意义和应用价值。

光限幅材料和器件是非线性光学研究的前沿课题，在激光防护等领域有重要的应用前景。基于自由载流子吸收效应的无机半导体材料已表现出优异的非线性光学性能。实现有机共轭半导体材料的自由载流子吸收效应将有助于提高材料的非线性光学性能，拓宽响应波段。在本项目的资助下，我们设计并合成了一系列电子给-受体型有机共轭分子/聚合物，系统研究了非线性光学性能与分子构型、能级结构、光诱导电荷转移吸收之间的关系，并初步实现了其在宽波段光限幅中的应用。第一，开发了基于硫/硒取代素馨烯电子给-受体型有机共轭分子的高性能非线性光学材料，其性能显著优于传统光限幅材料C60；第二，开发了基于四硫富瓦烯的含Pt(II)给-受体共轭分子，实现了高可见光透过的非线性光学性能；第三，开发了基于吡咯并吡咯二酮的电子给-受体型有机共轭聚合物非线性光学材料，由于强的给-受体相互作用和大的π-共轭体系，材料表现出基于近红外分子内电荷转移吸收的宽波段非线性光学性能。研究结果表明，材料带隙越小，光诱导分子内电荷转移吸收越强，其非线性光学性能越高。同时，重金属原子Pt(II)的引入能显著调控材料的非线性光学性能。最后，通过液-液界面辅助可控制备了一类新型金属-有机框架型二维共轭纳米片层材料，揭示了其优异的饱和吸收非线性光学性能，并初步实现了在激光调Q中的应用。本项目研究结果对高性能、宽波段有机非线性光学材料的设计开发及应用具有重要的科学意义。在本项目的资助下，项目组成员在ACS Applied Materials & Interfaces, Journal of Materials Chemistry C, New Journal of Chemistry 等期刊上发表论文8篇，申请专利1项。参与本项目的研究生，有2名获得了博士学位，3名获得了硕士学位。