基于光异构化效应的带隙调制三维光子晶体制备与性能研究

论文摘要

由于光子具有的速度快、可实现交叉通过和并行处理等优势,用光子代替电子来传输和处理信息已成为信息技术发展的梦想,光纤的广泛应用是朝这个方向迈出的重要一步。但是目前在信息的输入端和输出端还必须将信息转换为电信号并通过电子电路来处理,这个过程在很大程度上成为限制信息传输和处理速度的一个“瓶颈”。要解决这个问题就必须发展能够直接处理光信号的“集成光路”,将光源、光调制器、光波导等光功能器件集成到“芯片”尺寸级的器件中去,这是传统的光调制器所无法满足的。基于各种不同机理的带隙可调光子晶体的出现,使这个问题得到了解决。然而,目前所报道的有关带隙可调光子晶体的研究工作普遍存在调制范围过窄或者带隙的调制过程是不可逆等问题。因此,可对带隙进行大范围可逆性调制的光子晶体的制备以及性能研究就显得极其重要。本论文研究的目的就是通过设计并制备出新颖的含有偶氮苯基团的丙烯酸酯类单体及交联剂,并利用双光子三维微加工技术将其引入到聚合物网状结构中制备出具有光异构化效应的三维光子晶体,从而实现光子晶体带隙大范围可逆性调制,为发展带隙可调谐光子晶体及其器件的应用提供科学基础。本论文由七章组成,各章具体内容如下:第一章:本章详细的介绍了相关研究背景。概述了光子晶体的基本概念与制备方法,并详细介绍了双光子聚合微加工技术的特点及应用。详细分析了可调制光子晶体的调制机理,阐述了本论文所进行的研究工作的目的和意义。第二章:简单介绍了光致变色偶氮苯类化合物的光异构化机理,详细阐述了影响偶氮苯染料光异构化性能的因素,进而提出了本论文的分子设计。分别设计了含有氨基（Ia-Ic）和乙酰氨基（IIa-IIc）的两类偶氮化合物,同时设计了含有偶氮苯基团的丙烯酸酯（丙烯酰胺）类单体（AN-azo-AO、AN-azo-AO3、AN-azo-AO6）。第三章:研究了氨基偶氮苯类化合物（Ia-c）和乙酰氨基偶氮苯类化合物（IIa-c）掺杂在PMMA中的单光子异构化行为,评价了含有两类不同取代基的偶氮苯衍生物的光异构化特性以及在PMMA聚合物结构中形成的分子间氢键。相对于乙酰氨基偶氮苯类化合物IIa-c,氨基偶氮苯类化合物Ia-c达到可逆平衡所需要的时间较短,且整体反应速率常数比较大。含有长烷基链的偶氮苯类衍生物（Ic,IIc）的光异构化速率快于短链化合物（Ib,IIb）。而在平衡时,由于分子间氢键的作用,IIa-c系列化合物的顺式（cis）百分含量（49-60 %）明显分别高于Ia-c系列化合物（35 %）。第四章,本章主要研究了含偶氮苯官能团（AN-azo-AO和AN-azo-AO3）的光子晶体的带隙调制行为,主要包括一下三个方面的内容。一是含偶氮苯官能团的聚合物的光异构化行为。即便是在紧密交联的聚合物网状结构中,偶氮苯官能团也能够实现光异构化,并且取代基烷基链的不同对光异构化性能并没有明显的影响。二是不同偶氮苯化合物对光子晶体带隙的不同调制。利用双光子聚合技术,把偶氮苯单体化合物（AN-azo-AO和AN-azo-AO3）分别引入到聚合物网状结构中,制备了具有堆栈型结构的光子晶体（PCs-1和PCs-2）,其带隙中心波长分别在2130 nm和2240 nm。在紫外灯的照射下,光子带隙的最大反射波长分别向短波长方向蓝移了37 nm和60 nm,通过对比实验的研究发现,此可逆性调制完全是由偶氮苯官能团的光异构化引起的。三是理论模拟了光子晶体PCs-1带隙在光照前后的变化。由制备得到光子晶体（含AN-azo-AO）的实际晶格参数,理论模拟了光子带隙在紫外光作用前后带隙位置的变化,与实验数据得到了很好的符合,且计算得到材料在紫外光照射后折射率下降了0.114,有望在可擦写的高密度存储方面有极高的应用价值第五章,设计了具有复合周期的三维光子晶体结构,利用双光子聚合技术成功制备得到了堆栈型复合周期三维光子晶体,其光子带隙中心位置分别出现在2151 nm和2462 nm。并利用偶氮苯官能团（AN-azo-AO）的光异构化特性,成功实现了双带隙的同步可逆性调制（36 nm）。第六章,对本研究所获得的研究结果进行了总结,并对其发展进行了展望。第七章:测试与合成部分。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 光子晶体
• 1.1.1 光子晶体的概念
• 1.1.2 光子晶体的特征
• 1.2 三维光子晶体结构
• 1.2.1 堆栈型结构
• 1.2.2 金刚石结构
• 1.2.3 缺陷结构
• 1.2.4 复合周期结构
• 1.3 三维光子晶体的制备
• 1.3.1 精密机械加工法
• 1.3.2 半导体微制造法
• 1.3.3 自组装法
• 1.3.4 激光全息光刻法
• 1.3.5 双光子聚合法
• 1.3.5.1 双光子聚合
• 1.3.5.2 双光子三维微加工
• 1.4 光子晶体带隙调制
• 1.4.1 折射率调制
• 1.4.2 晶格参数调制
• 1.5 论文选题的目的、意义、研究内容及构成
• 1.6 参考文献
• 第二章 偶氮苯光异构化分子的设计
• 2.1 引言
• 2.2 偶氮苯类化合物光致异构化的机理
• 2.3 偶氮苯类化合物光致异构化的光动力学过程
• 2.4 影响偶氮苯光异构化特性的因素
• 2.5 功能性偶氮苯光异构化分子的设计
• 2.6 本章小结
• 2.7 参考文献
• 第三章：偶氮苯掺杂聚合物薄膜光异构化性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 样品制备
• 3.2.1 偶氮苯类衍生物的合成
• 3.2.2 聚合物PMMA 掺杂偶氮苯薄膜的制备
• 3.3 偶氮苯类化合物光异构化的动力学
• 3.4 实验结果
• 3.4.1 偶氮苯类化合物的紫外可见吸收光谱
• 3.4.2 偶氮苯类化合物的红外吸收光谱
• 3.4.3 偶氮苯类化合物的光异构化
• 3.5 讨论
• 3.5.1 取代基效应
• 3.5.2 浓度效应
• 3.6 本章小结
• 3.7 参考文献
• 第四章 带隙调制三维光子晶体的制备与性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 堆栈型三维光子晶体的设计
• 4.3 样品制备
• 4.3.1 功能化偶氮苯类衍生物的合成
• 4.3.2 聚合树脂的制备
• 4.3.3 聚合物薄膜的制备
• 4.4 实验结果
• 4.4.1 聚合物薄膜的光异构化
• 4.4.2 堆栈型光子晶体
• 4.5 讨论
• 4.5.1 不同偶氮苯聚合物光致异构化行为的比较
• 4.5.2 光子晶体的带隙调制
• 4.5.2.1 不含偶氮苯官能团的光子晶体的光子带隙
• 4.5.2.2 含偶氮苯聚合物的光子晶体的带隙调制
• 4.6 本章小结
• 4.7 参考文献
• 第五章：复合带隙调制三维光子晶体的制备与性能研究
• 5.1 前言
• 5.2 复合带隙三维光子晶体的制备
• 5.2.1 聚合树脂的制备及性能研究
• 5.2.2 复合带隙三维光子晶体的制备
• 5.3 三维光子晶体复合带隙的可逆性调制
• 5.4 本章小结
• 5.5 参考文献
• 第六章 结论
• 第七章：合成与测试实验
• 7.1 试剂和仪器
• 7.1.1 药品及溶剂
• 7.1.2 实验仪器
• 7.2 光谱性质测试
• 7.2.1 紫外可见吸收光谱测试
• 7.2.2 红外光谱测试
• 7.2.3 光子晶体光谱测试
• 7.3 单光子光异构化
• 7.4 双光子聚合
• 7.5 目标化合物的合成与表征
• 7.5.1 4-羟基偶氮苯及对氨基乙酰苯胺的合成与表征
• 7.5.2 偶氮苯类衍生物的合成与表征
• 7.5.3 含偶氮苯官能团的丙烯酸酯（丙烯酰胺）类单体的合成与表征..
• 7.6 参考文献
• 发表及待发表的文章
• 会议论文
• 致谢