布里奇曼法生長(zhǎng)對(duì)三聯(lián)苯單晶及其摻雜晶體的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究

布里奇曼法生長(zhǎng)對(duì)三聯(lián)苯單晶及其摻雜晶體的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究對(duì)三聯(lián)苯、并四苯和并五苯等有機(jī)晶體材料在閃爍計(jì)數(shù)器、聚合物發(fā)光二極管、有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管和微波激射器等領(lǐng)域有廣泛且重要的應(yīng)用。布里奇曼晶體生長(zhǎng)技術(shù)具有成本低、用途廣、適應(yīng)性強(qiáng)和設(shè)備簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn),因而被廣泛的用于有機(jī)材料晶體生長(zhǎng)領(lǐng)域。本論文針對(duì)對(duì)三聯(lián)苯等有機(jī)材料晶體生長(zhǎng)的困難因素,根據(jù)布里奇曼晶體生長(zhǎng)技術(shù)的特點(diǎn),進(jìn)行對(duì)三聯(lián)苯單晶生長(zhǎng)過(guò)程的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn),研究生長(zhǎng)容器(安瓿)的形狀和結(jié)構(gòu)對(duì)晶體缺陷、晶格結(jié)構(gòu)和晶體性能的影響;同時(shí),以對(duì)三聯(lián)苯為主體,并四苯和并五苯分別為客體,開(kāi)展摻雜晶體生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn),研究不同濃度的摻雜對(duì)晶格結(jié)構(gòu)和晶體性能的影響。具體內(nèi)容包括:(1)運(yùn)用數(shù)值模擬方法,對(duì)布里奇曼法對(duì)三聯(lián)苯單晶生長(zhǎng)過(guò)程的熱場(chǎng)和流場(chǎng)耦合的多物理場(chǎng)進(jìn)行了瞬態(tài)模擬仿真,研究了安瓿的尖端形狀和錐角結(jié)構(gòu)對(duì)晶體生長(zhǎng)過(guò)程中的溫度分布、熔體流動(dòng)和結(jié)晶界面的影響。模擬結(jié)果表明,相對(duì)于平底安瓿和圓底安瓿,錐底安瓿的尖端形狀既可以有效改變其熱場(chǎng)分布,使其在結(jié)晶過(guò)程中形成水平的結(jié)晶界面,有助于晶體的生長(zhǎng);又能使其流場(chǎng)中形成顯著而穩(wěn)定的上、下渦流,利于將雜質(zhì)向邊緣驅(qū)趕;而且,錐角越小,其結(jié)晶界面和流場(chǎng)分布越有利于優(yōu)質(zhì)晶體的生長(zhǎng)。(2)根據(jù)布里奇曼法晶體生長(zhǎng)工藝和有機(jī)材料性質(zhì),針對(duì)制備過(guò)程中的技術(shù)困難,對(duì)安瓿進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),引入了漏斗裝料、小孔抽氣、填充焊封及夾層控制等一系列改進(jìn)措施。實(shí)驗(yàn)證明該優(yōu)化雙層安瓿能夠有效阻止制備過(guò)程中雜質(zhì)的產(chǎn)生和進(jìn)入,減少晶體的缺陷,提升晶體的質(zhì)量,改善晶體的性能。(3)在單層安瓿、原雙層安瓿和優(yōu)化雙層安瓿中分別進(jìn)行了布里奇曼法對(duì)三聯(lián)苯單晶生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn),對(duì)比測(cè)試分析了不同安瓿中生長(zhǎng)的對(duì)三聯(lián)苯單晶的性質(zhì)。粉末X射線衍射、傅里葉變換紅外光譜和核磁共振波譜分析表明三種樣品的圖譜中均未出現(xiàn)三聯(lián)苯以外的特征峰,而且特征峰的位置也未發(fā)生明顯位移。紫外-可見(jiàn)光吸收光譜的雜質(zhì)增色效應(yīng)和拉曼光譜的強(qiáng)烈熒光背景表明單層安瓿和原雙層安瓿樣品中存在較多的雜質(zhì)和缺陷;粉末X射線衍射研究表明優(yōu)化雙層安瓿樣品的結(jié)晶度有大幅提高;熒光光譜分析表明優(yōu)化雙層安瓿樣品的熒光性能更好。(4)采用優(yōu)化雙層安瓿,分別進(jìn)行了不同配比的并四苯摻入對(duì)三聯(lián)苯(并四苯,0.01wt%和0.1wt%)的晶體生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn),測(cè)試分析了不同摻雜濃度的樣品之間及其與對(duì)三聯(lián)苯單晶間的性能差異,研究了不同濃度摻雜對(duì)晶格結(jié)構(gòu)和晶體性能的影響。粉末X射線衍射分析表明兩種摻雜晶體仍然為單斜晶系(P21/a空間群);而隨著摻雜濃度增加,晶體的平均晶粒尺寸趨向減小,結(jié)晶度下降。傅里葉變換紅外光譜和核磁共振波譜分析表明兩種摻雜晶體的圖譜中均沒(méi)有觀察到對(duì)三聯(lián)苯以外的特征峰。熒光光譜和紫外-可見(jiàn)光吸收光譜研究表明,并四苯客體分子的摻入使對(duì)三聯(lián)苯晶體的兩種光譜中表征對(duì)三聯(lián)苯分子躍遷的特征峰強(qiáng)度均下降,并且出現(xiàn)表征并四苯分子躍遷的特征峰。而且隨著摻雜濃度增加,主體分子特征峰強(qiáng)度持續(xù)下降,客體分子特征峰強(qiáng)度則相應(yīng)增大。(5)采用優(yōu)化雙層安瓿,分別進(jìn)行了不同配比的并五苯摻入對(duì)三聯(lián)苯(并五苯,0.01wt%和0.1wt%)的晶體生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn),測(cè)試分析了不同摻雜濃度的樣品之間及其與對(duì)三聯(lián)苯單晶間的性能差異,研究了不同濃度摻雜對(duì)晶格結(jié)構(gòu)和晶體性能的影響。粉末X射線衍射、傅里葉變換紅外光譜和核磁共振波譜分析表明兩種摻雜晶體的圖譜中均沒(méi)有對(duì)三聯(lián)苯以外的特征峰。粉末X射線衍射研究表明隨著摻雜濃度增加,晶體的平均晶粒尺寸隨之減小,結(jié)晶度降低。熒光光譜和紫外-可見(jiàn)光吸收光譜研究表明,并五苯客體分子的摻入使對(duì)三聯(lián)苯晶體的兩種光譜