孙继斌等在氮掺杂非交替纳米带非线性光学材料研究方面取得新进展

qingli

随着激光技术的发展，非线性光学材料在光限幅、全光开关、光通信等领域展现出广阔的应用前景。其中有机π-共轭材料因其具有高的非线性光学系数、低的非线性响应阈值、易于结构调控的非线性光学性能等优势，受到了人们的广泛关注。线性并苯类稠环是一类经典的有机π-共轭材料，被广泛地用于有机光电器件中。但是，该类材料随着共轭长度的增加，化学稳定性变差，极易被氧化或发生Diels-Alder反应。与此同时，随着共轭体系的增大，分子间聚集程度增强，溶解性及其合成难度提高，极大地限制了这类材料的开发及应用。
　　近日，中国科学院理化技术研究所特种影像材料与技术研究中心孙继斌副研究员与湘潭大学陈华杰教授课题组、剑桥大学曾维轩博士等合作，采用酮胺缩合策略，构建了一类化学性能稳定、溶解性好的氮掺杂非交替纳米带分子（如图1所示），并首次将该类材料应用于非线性光学领域，揭示了其优异的反饱和吸收性能（如图2所示）。其中，末端三蝶烯和侧基三异丙基硅乙炔的引入，有效地抑制了分子间的聚集，显著提升了材料的溶解性，为目前报道的分子长度最长的可溶解氮杂非交替纳米带——含13元稠环分子；另外，多重五元环的植入有效地阻断了线性并苯类稠环的全局芳香性，实现了基态与激发态兼具的局域芳香性，因而提高了π-共轭系统的稳定性。使得材料（NNNR-2）的三阶非线性吸收系数达到374 cm GW–1，在同等测试条件下，显著高于经典非线性光学材料C60（153 cm GW–1）。

图1. 氮杂非交替纳米带分子NNNR-1和NNNR-2的（a）化学结构和（b）理论结构模拟

图2. 氮杂非交替纳米带分子NNNR-1和NNNR-2的非线性光学性能

　　有关研究结果以N-Doped Nonalternant Nanoribbons with Excellent Nonlinear Optical Performance为题发表在《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition 2023, DOI: 10.1002/anie.202306418）上。湘潭大学硕士生宋影为论文第一作者，湘潭大学陈华杰教授、中国科学院理化技术研究所孙继斌副研究员、剑桥大学曾维轩博士为论文共同通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金委、湖南省教育厅基金委和玛丽·居里（Marie Sklodowska-Curie）研究计划的支持。
　　该论文是中国科学院理化技术研究所特种影像材料与技术研究中心在有机三阶非线性光学材料的开发与性能研究工作取得的最新进展。近年来，该研究团队通过构筑大的π-共轭体系、引入强的电子给-受体相互作用以及重金属原子等策略，成功开发了系列高性能有机三阶非线性光学材料，相关成果发表在：Angew. Chem. Int. Ed.，2021, 60, 11326；ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 2944; J. Mater. Chem. C, 2020, 12993；J. Mater. Chem. C, 2018, 6, 8495；Chem. Commun., 2018, 10981; J. Mater. Chem. C, 2018, 13114。上述成果表明中国科学院理化技术研究所在有机三阶非线性光学材料以及在光限幅应用基础研究领域形成了研究特色。
　　原文连接：https://doi.org/10.1002/anie.202306418
       文章来源：理化所