功能高分子化学 课件 -光电转换材料

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1、第三节非线性光学有机高分子材料3.1 非线性光学材料的一些基本概念3.1.1 非线性光学效应 非线性光学效应起源于激光(强光场)下，光对介质 的非线性极化作用。当分子(或基团)受强光场作用时会 产生极化，其诱导极化强度可表示为： 0 2 3 其中 0为分子(或基团)的固有偶极矩， 为局域电场强 度， 为分子的线性极化率， 和即分别为非线性二 阶、三阶分子极化率(又称为一阶、二阶分子超极化率) 。 Date1第三节非线性光学有机高分子材料对于宏观的物质体系，在强激光的作用下，介质 的电极化强度P也不再与入射光的场强E成简单的线性 关系，材料的介质电极化强度P可表示为：P = P0+（1）E+（2

2、）E E+（3）E E E+其中P0为介质的固有电极化强度；E为入射光的场强( 电场强度),（1）为介质的线性极化率；（2），（3）， 分别为二阶、三阶、非线性极化率，对应着3阶 、4阶、 张量，表现出非线性光学效应。 Date2第三节非线性光学有机高分子材料对于普通光源，由于光的电场强度以及内部的局 域场强相比较弱，只用线性项便足以解释光的折射、 双折射、反射和吸收等经典的光学现象(非线性的高次 项可忽略)。而在强激光作用下，由于光的电场强度极 大，非线性项就不能忽略。一些非线性项的作用，如 二次项产生倍频光，三次项产生三倍频光等，便可以 实际观测到。这些与强激光有关的非线性项产生的效 应，

3、称为非线性光学（nonlinear optic，NLO）效应。 其中尤其以（2）项和（3）项最为重要，能产生较大二 阶或三阶非线性光学效应的介质材料就称为二阶或三 阶非线性光学材料。 Date3第三节非线性光学有机高分子材料3.1.2 非线性光学材料具有非线性光学效应的介质称为非线性光学材料。 非线性光学材料与其他材料不同，其非线性形态在光 或其他能量穿越时会经历许多令人感兴趣的变化，这 些变化又会使穿越的光发生转换。非线性光学材料中 的电子和电荷，或者特别容易被极化，或者在能量的 行波影响下特别容易被置换，而表现出较强的非线性 效应。非线性光学材料按其非线性效应来分可以分为二阶 、三阶和高阶

4、非线性光学材料。由于三阶以上非线性 光学材料效应相对较弱依次相差六个数量级，且在目 前离实用化还有很大的距离，所以当前研究主要集中 在二阶及三阶非线性光学材料上。 Date4第三节非线性光学有机高分子材料二阶非线性光学材料大致可分为三类： 1、氧化物和铁电晶体，如铌酸锂，石英； 2、III-族半导体； 3、有机聚合物材料。早期研究主要集中在无机晶体材料，但近期非线性光学聚合 物材料的研究是一个非常活跃的领域。研究表明，有机及聚合物 作为非线性光学材料具有以下明显优于无机晶体的特点：响应速 度快（亚皮秒甚至飞秒）、介电常数低、损伤阈值高、非线性响 应快、价格低廉、容易合成和裁减、与现有微电子平面

5、工艺兼容 、可在各种衬底上制备器件等。另外，用有机聚合物制作多层材 料可以达到垂直集成，是现有铌酸锂等无机材料所做不到的。这 些优点使得用有机聚合物制备波导形式的电光调制器和倍频器件 成为有现实可能性的目标。 Date5第三节非线性光学有机高分子材料非线性光学材料的应用主要有以下两个方面：1、进行光波频率的转换，即通过所谓倍频、和频、差频 或混频，以及通过光学参量振荡等方式，拓宽激光波 长的范围，以开辟新的激光光源。 2、进行光信号处理，如进行控制、开关、偏转、放大、 计算、存储等。非线性光学材料的广泛应用以及潜在 的应用前景已经促使了一个新兴的高技术产业光 电子工业的新发展，它包括光通信、光

6、计算、光信息 处理、光存储及全息术、激光加工、激光医疗、激光 印刷、激光影视、激光仪器、激光受控热核反应与激 光分离同位素、激光制导、测距与定向能武器等方面 。 Date6第三节非线性光学有机高分子材料3.2 聚合物二阶非线性光学材料研究 对于二阶非线性光学效应应用的有机分子来说，迄 今普遍重视的多数是强电子给体和受体的基团通过大 共轭体系作为“桥”结构连接的“一维”电荷转移分子，也 称之为生色团分子，其结构通式可写成-。 其中 D 和A 分别表示电子给体和受体基团。这样的生色团 分子在电场作用下显然会表现出各向异性以及微观上 的二阶非线性光学效应。但如果在聚合物材料中所引 入的生色基团为任意

7、无规分布，或者生色基团形成中 心对称晶体堆砌时，整个聚合物材料仍具有宏观中心 对称结构而不会产生宏观上的二阶非线性光学效应。 Date7第三节非线性光学有机高分子材料聚合物材料的结构是无序的，为了要产生 宏观二阶非线性光学效应，就必须对它进行极 化，人为制造一个宏观上非中心对称结构。显 然，这种结构是热力学的介稳态，这种强制取 向总是要向热力学平衡的无序态松弛的，其松 弛速度取决于聚合物的玻璃化转变温度。对于 实用来说，这样的松弛应该尽力减慢（器件寿 命要求为至少五至十年）。要延长取向稳定性 就必须提高聚合物的玻璃化转变温度，于是极 化温度也必须相应提高。图1为聚合物的极化 过程示意图。 Da

8、te8第三节非线性光学有机高分子材料图1 聚合物的极化过程示意图Date9第三节非线性光学有机高分子材料1. 型分子在这种分子中，两个独立的二阶非线性活性部分通 过键（比如以甲基CH2为桥）而连接为一体，结 果其贡献于分子内电荷转移几乎是二维的了，因而， 分子超极化率张量最大的分量是其非对角分量ijk。实 验证实，这种型分子非常容易于沿着一个方向堆积 ，而且得到非中心对称晶体的几率也比一维体系有了 明显的增加。在最稳定构型时，这些分子的两个电荷 转移轴之间的夹角约为120，与为相匹配的优化分子 取向条件十分接近，因此型分子在形成非中心对称 晶体时几乎所有的xyy可以得到利用。 Date10第三

9、节非线性光学有机高分子材料2. X型二维电荷转移分子大量工作表明，最具有应用潜力的分子非线性光 学材料是键合型极化高聚物。对这类材料来说，除了 要求所设计的合成的生色团必须具有化学反应活性和 很大光学非线性响应外，高温下的分子和取向稳定性 是至为关键的。目前主要的思路是力图通过物理途径 来提高材料的热稳定性，并已取得很令人鼓舞的进展 。最初提出的二维电荷转移分子是X型分子即, 二氨基,二硝基苯（DADB）。在这些分子内 不仅存在有两个互相交叉的对位给受体电荷转移而 且还有两个邻位给受体电荷转移。X型分子1,2-二 硝基-4,5-二氨基苯的合成过程如下： Date11第三节非线性光学有机高分子材

10、料Date12第三节非线性光学有机高分子材料3. Y型二维分子Y型分子是把两个给体与一个受体；或者两个 受体和一个给体，通过共轭桥连接而成Y型分子， 用作“给体嵌入” 型极化聚合物的生色团。Y型生色 团分子设计思想是在八极理论、X型二维分子的合成 以及所谓的“给体嵌入”型极化聚合物等的结果与实用 的推动下应运而生的。Y型分子像X型二维电荷转 移分子一样，可兼具一维生色团的高非线性系数和非 偶极的八极分子之良好透明性，以及增加实现位相匹 配几率等特点。 Date13第三节非线性光学有机高分子材料聚合物二阶非线性光学材料的合成聚合物二阶非线性光学材料主要可分为主 客体掺杂体系、侧链型聚合物体系、主

11、链型聚 合物体系和交联体系。其优缺点如下所示：Date14第三节非线性光学有机高分子材料体系类型：主客体掺杂体系 优点：易于制备和纯化 缺点：低分子量的生色团在较高的极化温 度下容易逸出，低分子生色团的增塑作 用使整个体系Tg大大下降，生色团分子 在主体内聚集从而产生相分离，导致光 学损失增大 Date15第三节非线性光学有机高分子材料体系类型：侧链型聚合物体系 优点：克服了主客体型体系的缺点，提高 了生色团的含量，从而大大提高了二阶 非线性光学值，改善了膜的光学均匀性 ，提高了Tg，提高了极化后的取向稳定 性 缺点：合成和提纯较为困难 Date16第三节非线性光学有机高分子材料体系类型：主链

12、型聚合物 优点：提高了极化取向的稳定性 缺点：加工性能不好，溶解性、极化效率 和Tg很难同时兼顾Date17第三节非线性光学有机高分子材料体系类型：交联型 优点：提高了聚合物的Tg，减弱聚合物极 化取向的弛豫，从而提高了它的极化稳 定性 缺点：产生不均匀的微畴，从而导致光传 播损耗增加 Date18第三节非线性光学有机高分子材料根据其张量特性的对称要求，材料要显示 宏观二阶非线性光学效应，无论组成材料的生 色团分子还是宏观材料都必须具有非中心对称 结构。因此，分子的取向排列对材料的宏观非 线性光学效应有很大的影响。而大部分的有机 晶体是中心对称的，即便其生色团分子具有很 大的，宏观晶体仍不显示

13、二阶非线性光学特 性。因此，二阶非线性光学材料的研究首先必 须解决的是宏观非中心对称的实现。 Date19第三节非线性光学有机高分子材料极化聚合物是目前为研究最为广泛 也是最有实用化的可能的方法。极化聚 合物是1982年美国科学家Meredith最先提 出的，其基本原理是：一种含非线性光 学活性生色团的聚合物（或复合材料） 薄膜在其玻璃化转变温度附近，经强直 流电场作用，使其中的生色团极化取向 并稳定，从而显示宏观二阶非线性光学 响应。 Date20第三节非线性光学有机高分子材料极化方法可分为： 接触式电极极化 电晕极化 高压极化 光极化 Date21第三节非线性光学有机高分子材料图2 电晕极

14、化示意图 Date22第三节非线性光学有机高分子材料图3 全光极化示意图 Date23第三节非线性光学有机高分子材料3.3 研究现状及展望极化聚合物研究的最终目标是实现其在光 电子技术中的应用，特别是近几年来WDM全 光通讯网的迅速研究和发展，使聚合物材料的 特点更加突出，极化聚合物已经成为WDM全 光通讯网研究和发展中关键器件的关键材料。目前对二阶非线性材料聚合物的研究主要 集中在以下四点：极化聚合物宏观二阶非线性 的大幅度提高；聚合物材料的时间稳定性和温 度稳定性的改善；光传播损耗的大幅度降低； 材料性能参数的综合优化。Date24第四节 光电转换材料 硅太阳能电池 单晶硅、多晶硅、非晶硅

15、 无机陶瓷半导体材料 有机太阳能电池材料 Date25单晶硅太阳能电池（ max = 24. 7 % ）Date26Date27多晶硅太阳能电池(max = 20. 3 %)Date28Date29非晶硅太阳能电池非晶硅属于直接带系材料，对阳光吸收系数高，只需要1m厚的薄膜就可以吸收80 %的阳光，但是由于非晶硅缺陷较多, 制备的太阳电池效率偏低,且其效率还会随着光照而衰减( ST效应) ，导致非晶硅薄膜太阳电池的应用受到限制。目前非晶硅薄膜电池研究的主要方向是与微晶硅结合，生成非晶硅/ 微晶硅异质结太阳电池，这种电池不仅继承了非晶硅电池的优点，而且可以延缓非晶硅电池的效率随光照衰减的速度。目

16、前单结非晶硅薄膜电池的最高转换效率为16. 6 %。Date30Date31碲化镉和铜铟硒薄膜太阳电池碲化镉(CdTe)和铜铟硒(CIS)的禁带宽度与太阳光谱匹配较好，且属于直接带隙材料，性能稳定，是很有希望的高效薄膜太阳电池。目前碲化镉薄膜电池的最高转换效率达到16.15 %，铜铟硒薄膜电池的最高效率为18.4 %。但是，碲化镉薄膜电池中镉是一种对人体有害的物质，而铜铟硒薄膜电池中的铟在地壳中的含量非常稀少，这都不利于规模化生产，而且对元素含量进行大面积精确控制的工艺也非常复杂。目前已进入规模化生产试验阶段。Date32染料敏化TiO2电池染料敏化TiO2 电池实际上是一种电化学电 池,其导电机理是基于多子输运，与通常基于 少子运输的半导体电池不同，因而对原材料纯 度要求不高，加工工艺也较简单，但是目前这 种电池的最高效率只有10. 5 %，而且由于液 态电解液的存在，