8-羟基喹啉金属配合物混合晶体的物理性质研究

Organic binary crystalline materials are hot materials in the research field of organic semiconductors because of their novel mechanical, electrical, optical and magnetic properties. However, the research on organic binary crystals faces many challenges, such as the lack of materials, the monotony of components, and the insufficient understanding of physical mechanisms. Aiming at the above problems, We will prepare organic mixed crystals using 8-hydroxyquinoline metal complexes. 8-hydroxyquinoline metal complexes have similar molecular structures, crystalline structures and different properties. By considering the molecular structure, crystalline structure, energy band structure, physical properties and so on, we choose two 8-hydroxyquinoline metal complexes and prepare organic mixed crystals. Then, we will study the structural properties, dynamics of carriers, mechanical properties, electrical properties, optical properties and magnetic properties of the samples. On the basis of theoretical analysis, we will explore the relation among the molecular structures, crystalline structures, energy band structures and physical properties. This project will obtain a new kind of organic binary crystalline materials with continuously adjustable components, and further with continuously adjustable physical properties, and will be helpful for the understanding of the physical mechanism of organic binary crystals and the development of novel devices based on organic crystals.

二元有机晶体材料展现出许多新颖的力、电、磁、光等物理性质，是有机半导体材料领域的研究热点之一。然而目前其材料来源稀少，组分配比单调，物理机理认识不足。针对以上问题，本项目重点针对具有相似分子结构和晶体结构的同系列8-羟基喹啉金属配合物有机小分子材料，综合考虑分子结构、晶体结构、能带结构及物理性质等因素，设计优化材料组合，制备有机混合晶体材料，表征其结构，系统研究样品中的载流子动力学过程及样品的力、电、光、磁等各项物理性质，结合理论分析，探索其物理性质背后的理论机制，力求建立材料分子结构、晶体结构、能带结构与物理性能之间的关系。本项目的研究，有望在目前有机共晶研究的基础上为二元有机晶体探索出一项新的材料来源，实现二元晶体材料的组分连续调制，进而实现材料物理性质的连续调控，深化对二元有机晶体物理机制的认识，有利于推进有机晶体材料研究及新型器件研发，具有重要的科学意义和应用价值。

二元有机晶体材料展现出许多新颖的物理性质，然而目前其材料来源稀少，物理机理认识不足。针对以上问题，项目开展以来，我们按照研究计划，重点针对8-羟基喹啉金属配合物等小分子材料，合理设计材料组合及各组分之间的比例，采用溶液法、微乳液法、再沉淀法、机械研磨法等制备方法，设计制备了多种混合晶体及共晶材料，并对样品进行了系统的结构表征和性能测试，并结合理论分析，深入研究了其物理机制。主要包括：使用微乳液法制备了AlxGa1-xQ3和GaxFe1-xQ3二元晶体；通过溶液自组装的方法制备了TSB-TCNB共晶，发现分子间电荷转移作用是共晶高性能非线性光学性质的有效起源；通过挥发法制备了Al0.5In0.5Q3晶体；利用再沉淀法制备了Zn0.5Cu0.5Q2和ZnxMg1-xQ2等有机混合晶体；理论研究了 8-羟基喹啉金属配合物二元晶体的电荷转移性质；通过机械研磨法制备了二元有机晶体NBA-TCNB，发现并解释了其双光子激发荧光现象；通过溶剂挥发法成功制备了一种具有高效双光子激发荧光性能的蓝光Tpy-TCNB共晶，发现沿着给受体分子堆积方向长程的分子间电荷转移，使π共轭电子在整个体系中离域，从而导致了超分子结构的电子极化以及双光子激发荧光性质；采用溶剂挥发法，成功制备了具有高效双光子激发荧光特性的绿光Acr-TCNB共晶；通过固态研磨法成功地制备了Acr-DNB共晶，摩尔比为1:2，发现层间近距离π-π堆叠相互作用以及由-COOH和-NO2官能团诱导的强氢键相互作用为超强共结晶能力和分子间电荷转移性质的产生提供了基础；利用滴落涂布法制备了m-MTDATA/3TPYMB材料，并发现明显的单（双）光子荧光增强；选择TAPC/3TPYMB作为蓝光主体材料，TTPA和DCM分别作为绿光和橙光掺杂材料，制备了主体-客体掺杂薄膜样品，在上转换荧光中分别表现出〜129％和〜365％的增强，大气PLQY高达〜98.65％。本项目截至目前已发表SCI论文14篇，申请国家发明专利2项，其中1项国家发明专利已经获授权，培养具有跨学科知识的研究生5名，达到了本项目的预定目标。