三种有机-无机杂化冠醚类晶体的制备及性能研究

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有机-无机杂化晶体材料,是由有机阳离子和无机阴离子骨架自组装而成的新型复合晶体材料,同时兼具有机化合物和无机化合物的优势,具有成本低廉、合成简单、重量轻、结构可塑、加工方便、机械柔韧性和绿色环保性等许多优点。冠醚骨架有机-无机杂化晶体材料,是以具有良好的可修饰性、结构可调可控性及功能多样性的18-冠醚-6为骨架基础,引入不同无机酸、有机胺制备成的具有不同结构和性能的晶体,如相变、介电、半导体、光学、压电、铁电或热电等性能,在信息存储、信号处理、微波器件、电光调制器、压电换能器、传感器等领域具有潜在应用前景。文献报道的多数冠醚型杂化分子晶体的相变点(有些性能只存在于相变点以下,如铁电性)或者分解温度较低,严重限制了材料的实际应用。因此,为了寻找具有高相变温度的有机-无机杂化冠醚型晶体,并探究晶体中有机组分和无机组分对晶体性能的影响,论文设计并合成了三种基于18-冠醚-6骨架的有机-无机杂化晶体材料,系统研究了它们的结构和相关物理性能。论文具体工作主要分为两部分。第一部分通过挥发溶剂法,合成了两种有机-无机杂化冠醚类新晶体:[(C6H7Cl N)(18-crown-6)]+[Cl O4]-(CH3COCH3)(简称晶体1)、[(C6H7Cl N)(18-crown-6)]+[BF4]-(CH3COCH3)(简称晶体2),并系统研究了它们的结构、红外光谱、温度稳定性、介电性、压电性、吸收光谱、荧光光谱等物理性能。研究发现,晶体1和晶体2呈现高的相变温度,约为71°C;它们均属于正交晶系,空间群为P212121,呈非中心对称结构,这说明晶体具有压电性能,本工作通过原子力显微镜观察到压电畴结构,证实了压电效应的存在。通过与冠醚类同系物晶体[(C6H7IN)(18-crown-6)]+[Cl O4]-和[(C6H7IN)(18-crown-6)]+[BF4]-对比,推测晶体1和晶体2中存在的丙酮分子是使晶体呈现非中心对称结构和压电效应的原因,而71°C处的相变是由于丙酮分子挥发脱离晶体结构所致。晶体1和晶体2是两种具有高相变温度的有机-无机杂化冠醚类新型压电晶体材料,两种晶体在用于制作应用于通信技术领域的谐振器、传感器、能量转换器等各类电子器件方面具有潜在应用前景。第二部分通过挥发溶剂法,合成了一种有机-无机杂化冠醚类新晶体[(C8H12NO)(18-crown-6)]+[BF4]-(简称晶体3),并系统研究了它的结构、红外光谱、相温度稳定性、介电性、吸收光谱、荧光光谱等物理性能。研究发现,晶体3在100~298 K温度内没有发生分解、熔化或相变,具有良好的温度稳定性,且晶体拥有优异的光致发光特性。此外,类比晶体3与其同系物[(C7H10NO)(18-crown-6)]+[BF4]-、[(C8H12NO)(18-crown-6)]+[Cl O4]-的结构和性质,初步确定了有机成分和无机成分在冠醚包合物中的作用:无机酸会影响其热稳定性,有机胺主要影响其结构及结构决定的物理性能,如压电和铁电性能等。
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