含液晶基元聚氨酯的制備、表征及聚合物熱光開關(guān)研究.pdf

1、近年來(lái)，各種新技術(shù)新材料的出現(xiàn)促進(jìn)了光開關(guān)特別是熱光開關(guān)的發(fā)展。熱光開關(guān)是通過(guò)熱光效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能的。從熱光開關(guān)目前的發(fā)展來(lái)看，既可以制造小型的光開關(guān)，如1×2光開關(guān)，也可以在晶片上集成若干個(gè)1×2光開關(guān)組成較大陣列。
　　 熱光開關(guān)的制作材料一般采用Si、SiO2和有機(jī)聚合物等材料，通過(guò)控制材料溫度來(lái)達(dá)到改變材料折射率的目的，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能。相比于前面兩種材料，有機(jī)聚合物材料具有價(jià)廉，工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，串?dāng)_低等優(yōu)點(diǎn)。此外，有機(jī)

2、聚合物材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)低，熱光系數(shù)大，因此可以很大程度上降低有機(jī)聚合物熱光波導(dǎo)器件的功耗。多年來(lái)的研究，使人們對(duì)有機(jī)聚合物材料的許多特性有了深入的了解，可以根據(jù)需要，提出相應(yīng)的材料特性要求再進(jìn)行合成。用于熱光開關(guān)的有機(jī)聚合物材料要求分子在外界的作用下具有兩種可以相互轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定狀態(tài)。偶氮液晶基元是一種可以在光或者熱的作用下進(jìn)行異構(gòu)化作用的基團(tuán)，可以通過(guò)引入偶氮基團(tuán)達(dá)到這一要求。此外，要實(shí)現(xiàn)良好的光開關(guān)效應(yīng)，有機(jī)聚合物材料還必須具備良好的非

3、線性性能，這就要求材料具有良好的中心不對(duì)稱性。在微觀的尺度上，我們可以通過(guò)在偶氮液晶基元上引入推拉電子基團(tuán)實(shí)現(xiàn)其中心不對(duì)稱性;在宏觀尺度上，可以通過(guò)引入手性單元來(lái)實(shí)現(xiàn)其中心不對(duì)稱性。
　　 本文采用重氮偶合反應(yīng)設(shè)計(jì)合成了一系列偶氮苯生色分子，進(jìn)一步制備偶氮聚氨酯類聚合物，并對(duì)合成的聚合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，測(cè)定了其熔點(diǎn)、旋光度、溶解性等物理性質(zhì)，同時(shí)研究了聚合物的熱穩(wěn)定性、熱光性能等。并對(duì)基于合成材料的低功耗熱光開關(guān)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和模

4、擬研究。
　　 (1)分別采用重氮-偶合方法以及威廉姆遜(Williamson)合成法制備了含有偶氮液晶基元的生色團(tuán)分子(NDPD)和含有聯(lián)苯液晶基元的二醇4，4'-雙（β-羥基乙氧基）聯(lián)苯(2BP)，再將生色分子NDPD與2BP、IPDI反應(yīng)制備了含有偶氮液晶基元的螺旋液晶聚氨酯(HBPU)。通過(guò)紅外、紫外以及核磁等方法對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。采用衰減全反射技術(shù)(ATR)測(cè)定了材料在不同波長(zhǎng)和不同溫度處的折射率(n)，得到熱光系數(shù)(

5、dn/dT)。通過(guò)Sellmeyer方程，研究了材料的色散性能。結(jié)果表明，合成的螺旋液晶聚氨酯(HBPU)具有較大的熱光系數(shù)，為研制具有低功耗的熱光開關(guān)提供了可能。
　　 (2)制備了含有雙偶氮液晶基元的螺旋液晶聚氨酯(HBBPU)。利用紅外、紫外以及核磁等方法對(duì)單體和聚合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。依據(jù)ATR技術(shù)測(cè)得材料的折射率(n)，進(jìn)而得到熱光系數(shù)(dn/dT)。采用CCD數(shù)字成像器件研究了材料的傳輸損耗。通過(guò)Sellmeyer方

6、程，研究了材料的色散性能。利用光束傳播法(FD-BPM)結(jié)合有限元法對(duì)基于合成的螺旋聯(lián)苯聚氨酯材料的Y型熱光開關(guān)進(jìn)行了模擬和分析。研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的熱光開關(guān)相比較該熱光開關(guān)的功耗和響應(yīng)時(shí)間有很大的改進(jìn)。
　　 (3)制備了兩種不同類型的含有偶氮液晶基元的新型聯(lián)苯聚氨酯Azo BPU1和Azo BPU2。利用光譜學(xué)方法對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。采用ATR技術(shù)測(cè)得材料的折射率(n)，得到熱光系數(shù)(dn/dT)。此外還對(duì)材料的傳輸損耗以

7、及色散性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，材料Azo BPU2相比于Azo BPU1具有更高的熱光系數(shù)以及低的傳輸損耗。對(duì)基于這些材料熱光效應(yīng)的1×2 Y型和2×2 Mach-Zehnder型熱光開關(guān)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和模擬。分析結(jié)果表明，所有熱光開關(guān)的熱功耗都低于1.0mw。相比于Y型的熱光開關(guān)，基于同種材料的Mach-Zehnder型熱光開關(guān)具有更快的響應(yīng)時(shí)間。
　　 (4)制備了兩種不同類型的含有偶氮液晶基元的聚醚型聚氨酯Azo PU1和A

8、zo PU2。采用ATR技術(shù)測(cè)定了材料的折射率(n)，得到熱光系數(shù)(dn/dT)。采用CCD數(shù)字成像器件研究了材料的傳輸損耗。通過(guò)Sellmeyer方程，研究了材料的色散性能。結(jié)果表明，材料Azo PU2相比于Azo PU1具有更高的熱光系數(shù)以及低的傳輸損耗。對(duì)基于這些材料熱光效應(yīng)的1×2 Y型和2×2Mach-Zehnder型熱光開關(guān)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和模擬。分析結(jié)果表明，所有熱光開關(guān)的熱功耗都很低，相比于Y型的熱光開關(guān)，基于同種材料的Mac