[发明专利]有机－无机复合非线性光学薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及有机-无机复合非线性光学薄膜及其制备方法，属于有机-无机 复合材料领域。

背景技术

非线性光学在新兴的光电、光子技术领域必然要发挥关键的作用。在未来 的信息时代，全光器件相对于电子器件来说有其超快的速度优势，可以实现超 快的通讯、信号处理过程。这种全光的器件要求非线性光学材料具有大的三阶 非线性，同时具有低的光学损失。而目前有效的非线性光学材料缺乏性能上的 突破成了制约全光器件发展的瓶颈。特别是在具有很好非线性的有机生色团领 域，在传统的有机或者无机基体中都很难达到全光器件的应用要求。其主要的 限制因素包括共振区域高的线性吸收和非共振区域的双光子吸收。因此双光子 吸收区域也被认为是全光器件(比如光开关等)不可应用的区域，尽管在这个 区域电子效应对非线性Kerr系数有着很大的贡献。对于实用的器件来说不仅要 求高的非线性生色团含量，而且要避免生色团之间的团聚效应。虽然有报道通 过在基体中引入一些有机的造孔剂来实现生色团的部分单体分布，但是要达到 完全均一的单体分散还是非常困难的。

新型介孔材料是近年来纳米材料科学领域引人注目的研究对象。利用介孔 材料所具有的高的比表面积和狭窄可调的孔径分布，采用合适的制备工艺，制 备出有机-无机复合的介孔薄膜，可以最大限度的实现有机非线性生色团在介孔 孔道内的均匀单体分散，同时可以提高有机生色团在无机基体中的含量，从而 有望成为一种优良的可用于全光器件的非线性光学材料。目前国内外还未见这 类材料特别是用于三阶非线性材料的研究报道。

发明内容

本发明的目的是提供有机-无机复合非线性光学薄膜及其制备方法，以解决 现有技术中存在的上述问题，目前国内外尚无类似材料的相关报道。

本发明提供的有机-无机复合非线性光学薄膜的制备方法包括下述步骤：

(1)具有羟基有机染料进行硅烷偶联改性，得到硅烷改性有机染料。

上述硅烷偶联剂优选具有异氰酸丙基的硅烷偶联剂。

(2)硅烷改性有机染料和正硅酸乙酯(TEOS)溶于有机溶剂，加入盐酸促 进水解和共缩聚；

硅烷改性有机染料的摩尔含量为硅总量的1～5％。有机溶剂优选四氢呋喃。

(3)搅拌后，加入含有表面活性剂聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯(P123) 的有机溶剂溶液，并继续搅拌均匀；表面活性剂摩尔含量控制为硅总量的0.5～ 5％。

有机溶剂优选四氢呋喃。

(4)步骤(3)的产物室温下陈化，通过浸渍-提拉或旋涂的方法成膜。

优选提拉速度为60～100mm/min，旋涂速度为2000～3000rpm。

(5)所成膜干燥12～24h。

(6)在酸性酒精溶液中萃取除去表面活性剂。

优选回流温度80-90℃，回流时间12～72h。

优选加入浓盐酸的方式调整酸性。

本发明涉及的有机-无机介孔复合非线性光学薄膜的制备方法具有以下特 点：

(1)复合薄膜具有有序的无机介孔孔道结构。

(2)硅烷改性有机染料在介孔孔道可以完全的单体规则分布，其中一端化 学键结合孔道内墙壁，而另一端在孔道中均匀分布，硅烷改性有机染料之间没 有相互作用。

完全均匀的单体分散使生色团有一个很低的饱和吸收阀值，可以在很低的 入射光能下使第一激发态达到饱和，从而导致在双光子吸收区域可以忽略的双 光子吸收。

由于介孔材料可以通过不同的表面活性剂(模板)形成不同的孔道结构和 孔径分布，因此可以通过选择不同长度的非线性生色团进行组装来实现生色团 单体分散的介孔有机-无机复合薄膜。

本发明具有通用性，可以选择具有不同功能的疏水性生色团进行硅氧烷亲 水化改性，达到一端亲水一端疏水的条件便可以实现生色团在介孔孔道内的单 体分散组装。最终实现在不同领域的应用。

本发明可以用于薄膜、粉体以及块体等复合材料的制备。选择不同功能的 有机生色团组装即可实现复合材料在不同领域的应用。