以邻位修饰的苝二胺为配体的金属有机配合物的三阶非线性光学性质的研究

Two-photon absorption (2PA) is gaining increasing attention for its promising applications in various fields, such as two-photon photodynamic therapy, 3D optical data storage, microfabrication, energy up-conversion and all-optical switching. This project focus on the synthesis and 2PA property investigation of novel metal-organic complexes with ortho-modified perylene diimide derivatives as ligands. The steady-state optical spectra and cyclic voltammetry spectra will be obtained to study the basic photo-electrical properties. The thermal stability will be investigated by TGA and DSC. The influence on the photo-electrical properties by molecular intrisic structure (orth-substituted groups, π-conjugation, molecular rigidity) and external factors such as temperature, solvents, pH, etc. The metal-organic complexes are synthesized by hydrothermal method, solvothermal method, solution diffusion method, etc. The relationship between the complex structure and 2PA property will be investigated by Z-scan technique. The strucrural features of metal-organic complexes with high stablity, high two-photon absorption cross-section value, high optical transparency and high nonlinear refractive index will be studied. The strategy for the synthesis of this kind of metal-organic complexes will be developed, which will provide an experimental basis for broadening novel third-order nonlinear optical materials.

双光子吸收在双光子光动力疗法、3D光学数据存储、微加工、能量上转换和全光开关领域具有重要的应用价值。本课题将从构建新型金属有机配合物出发，将具有金属络合位点的π共轭体系引入到苝二胺的邻位，与不同的金属离子配位，合成新型的以邻位修饰的苝二胺为配体的金属有机配合物。运用稳态光谱、循环伏安等研究光电性质，TGA、DSC 等测试热学性能；考察配合物邻位取代基团、π共轭程度、分子刚性等分子本征结构以及温度、溶剂、pH 值等外部因素对分子光电性能的影响；采用水热、溶剂热、溶液扩散等方法合成配合物，考察其光电性质，揭示有机配体结构、配合物结构对光电性质的影响；并采用Z扫描等方法研究配合物结构与三阶非线性光学性质之间的关系，确定高稳定性、高双光子吸收截面值、高光学透明度、高非线性折射率等综合性能优良的金属有机配合物的结构特征，阐明制备这类金属有机配合物的构建规律，为拓宽新型三阶非线性光学材料提供试验基础。

为了阐明双光子吸收性能优良的配合物的结构特征，迫切需要揭示有机配体结构、配合物结构与双光子吸收性能之间的内在关系。本项目通过合理的分子设计和合成策略，制备了多种结构独特、性能优良的双光子吸收材料，并利用瞬态吸收光谱在内的多种表征手段深入研究了分子结构与双光子吸收性能之间的关系，取得了一系列的研究成果。例如，通过巧妙的分子结构设计，获得同质多晶型双光子吸收材料，这种材料具有高的光学透明性和稳定的双光子吸收截面值。通过对分子结构进行微小的改变，研究分子激发态性质的微妙变化，揭示了分子激发态结构与双光子吸收截面值之间的内在联系。通过创新的设计合成策略，获得平面结构的四氮杂䓛型双光子染料，这种染料同时具有大的双光子吸收截面值和高的荧光量子产率，在双光子荧光成像领域具有潜在的应用价值。通过新颖的设计策略，合成了结构多样的芘并哒嗪型双光子吸收材料，研究了中心对称结构和非中心对称结构与双光子吸收性质之间的关系。本项目的实施获得了多种结构新颖、独特的双光子材料，通过对这些材料系统而深入的研究，揭示了结构-性能的内在规律，为发展高稳定性、高双光子吸收截面值、高光学透明度、高荧光量子产率等综合性能优良的双光子材料提供了重要的研究思路和研究方法。