DAST晶体及其衍生物的原料合成提纯、生长与性能研究

DAST晶体是迄今为止效率最高的THz有机非线性晶体，可产生7～20THz范围内的脉冲，在THz探测方面也具有重要应用价值。我国对该晶体的研究起步较早，但发展缓慢，无论在晶体生长技术还是质量方面与国外相比都有一定差距。高纯DAST晶体生长原料依赖进口，价格昂贵，而且目前国内市场已无代售，这严重制约了国内对该晶体的研究进展，因此开展DAST晶体原料合成、提纯、成核生长机理与性能系列研究已成为迫切需要。本课题计划研制一套相对完善的DAST原料合成与提纯工艺，制备出满足实用要求的高纯度晶体生长原料，增加产率并降低成本。研制新型晶体生长装置，分析DAST晶体成核生长机理，优化生长工艺提高晶体质量，实现较大尺寸的晶体生长并测试其性能。在此基础上，分析DAST晶体的结构与性能关系，通过分子结构设计合成新型衍生物，发现性能更优异的THz晶体。该系列研究对于我国THz技术的发展具有重要科学意义和实用价值。

DAST晶体是迄今为止产生THz效率最高的有机非线性晶体，在太赫兹波的产生与探测等方面具有十分重要的应用价值。但国内缺乏用于晶体生长的高纯原料，且晶体生长技术与国外相比还有一定差距，严重制约了国内对该晶体的研究进展。.本课题探索了晶体原料的合成技术，系统研究了影响合成的主要因素，通过不断优化制备工艺，将合成产物的产率从最初的10%-20%提高到40%-50%，将纯度从原来的98%提高到99.8%，这对于降低原料制备成本、提高生长溶液的稳定性，具有非常重要的意义。在晶体原料合成的基础上，通过改变阴离子基团，合成并生长出DAST衍生物晶体DASBS·H2O，通过结构解析，发现其属于三斜晶系，晶胞参数与DAST极为相似。.设计并制作了晶体生长装置，有效防止了晶体生长过程中有机溶剂的挥发，克服了采用传统的自发成核法进行晶体生长时，成核数量和位置难以有效控制的问题，且晶体生长的成功率高，质量较好。确定了DAST-甲醇生长溶液的溶解度曲线及晶体生长的亚稳区间，深入分析了工艺因素对生长溶液稳定性的影响，找到了控制DAST晶体自发成核的最佳时机以及控制其成核数量的措施。利用同步辐射形貌术、AFM及摇摆曲线等测试手段分析了晶体生长和缺陷形成机理，通过不断优化晶体生长工艺，利用顶部籽晶法生长出尺寸为20×20×2 mm3的高质量晶体，该晶体是目前国内已报道的DAST晶体中尺寸最大、质量最好的晶体。利用分光计对1mm厚的晶体的透过性进行了测试，发现其透过率接近80%，利用非线性差频产生了调谐范围为0.38-18.10THz输出，极大提高了太赫兹波的转换效率，在3.39THz处获得最高单脉冲能量为345.4nJ，转换率达到1.69×10-4，与国外先进的研究结果处于同一数量级水平。.该系列成果的取得，将为后期发现性能更加优异的THz晶体、研制基于大尺寸DAST晶体的高能量太赫兹辐射源打下良好的基础，该工作将加快DAST晶体的应用开发，推动国内太赫兹技术的发展。