石墨烯/聚吡咯甲烯三阶非线性光学复合材料的制备及其构效关系

The third-order nonlinear optical polymer materials have broad application prospects in the field of optoelectronic devices, however, there is few polymer materials have high third order nonlinear susceptibility, well thermal stability and processability at the same time which is one of the main bottleneck restricting the practical application of the third-order nonlinear optical polymer materials. We study poly (pyrrolyl methine) with large π electron delocalization and narrow band gap, and cheap lamellar graphite oxide, and use ultrasonic radiation to prepare the graphene/poly(pyrrolyl methine) third-order nonlinear optical composite material with high third order nonlinear susceptibility, excellent dissolved, film forming ability and thermal stability. Graphene could disperses uniformly and stably in the composite material through the ultrasonic radiation, the organic modification of the graphene and the chemical bonding of graphene and poly (pyrrolyl methine). We will further characterize molecular structure, study different factors affecting the chemical reaction, investigate the properties of composite, explore the composite structure-performance relationship and reveal the nonlinear optical effect mechanism, on the one hand, to explore new ideas for the preparation of the third-order nonlinear optical polymer material, on the other hand, to provide a theoretical and practical basis for the practical application of the third-order nonlinear optical polymer materials.

三阶非线性光学聚合物材料在光电器件领域应用前景广阔，但是，同时具备三阶非线性极化率大、热稳定性和可加工性好等优点的聚合物材料非常少，这是目前制约三阶非线性光学聚合物材料实际应用的最主要瓶颈之一。本项目提出用具有较大π电子离域性和较窄能带宽度的聚吡咯甲烯以及廉价的片层状氧化石墨作为研究对象，采用超声辐射法构建三阶非线性极化率大、溶解性、成膜性和热稳定性优良的石墨烯/聚吡咯甲烯复合材料的新思路。通过超声辐射作用、石墨烯的有机化改性以及聚吡咯甲烯与石墨烯的化学键合实现石墨烯均匀稳定地分散在复合材料中。表征产物的分子结构，研究影响反应的各种因素，考察复合材料的性能,探讨复合材料的结构- - 性能关系，揭示其非线性光学效应的产生机理，一方面为三阶非线性光学聚合物材料的制备探索新的思路，另一方面为三阶非线性光学聚合物材料的实际应用提供理论与实践基础。

三阶非线性光学聚合物材料在光电器件领域应用前景广阔，但是，同时具备三阶非线性极化率大、热稳定性和可加工性好等优点的聚合物材料非常少，这是目前制约三阶非线性光学聚合物材料实际应用的最主要瓶颈之一。本项目利用具有较大π电子离域性和较窄能带宽度的聚吡咯甲烯以及廉价的片层状氧化石墨作为研究对象，采用超声辐射法将表面带有长链烷基的石墨烯（RGO）通过化学键合的方式，接枝到聚吡咯甲烯的分子链上，制备三阶非线性极化率大、溶解性、成膜性和热稳定性优良的石墨烯/聚吡咯甲烯复合材料（PAPABE-RGO）。通过超声辐射作用、石墨烯的有机化改性以及聚吡咯甲烯与石墨烯的化学键合实现石墨烯均匀稳定地分散在复合材料中。结果表明，PAPABE-RGO在二甲亚砜中的溶解度为4.5 g/L，热分解温度为313.14 ℃，能带宽度为0.58 eV。当石墨烯键合到聚吡咯甲烯分子上后，聚吡咯甲烯分子与石墨烯之间形成的电荷转移效应引起聚吡咯甲烯分子的π电子离域性增强，产生附加偶极矩，致使PAPABE-RGO的三阶非线性光学极化率提高到3.95×10-7 esu，比PAPABE的三阶非线性极化率提高四十七倍。初步研究PAPABE-RGO的分子结构——性质关系，揭示PAPABE-RGO的非线性光学效应产生机理。同时，本项目还对碳纳米管/聚吡咯甲烯复合材料、石墨烯/聚苯胺复合材料、碳纳米管/聚酰亚胺复合材料等共轭聚合物纳米复合材料的结构和性能进行研究。在项目研究过程中，在与本研究领域相关的国际期刊上发表论文5篇，授权国家发明专利1项，申请国家发明专利1项，培养硕士研究生3名。本项目研究一方面为三阶非线性光学聚合物材料的制备探索新的思路，另一方面为三阶非线性光学聚合物材料的实际应用提供理论与实践基础。