布里奇曼法生長對三聯(lián)苯單晶及其摻雜晶體的數(shù)值模擬和實驗研究

布里奇曼法生長對三聯(lián)苯單晶及其摻雜晶體的數(shù)值模擬和實驗研究對三聯(lián)苯、并四苯和并五苯等有機晶體材料在閃爍計數(shù)器、聚合物發(fā)光二極管、有機場效應(yīng)管和微波激射器等領(lǐng)域有廣泛且重要的應(yīng)用。布里奇曼晶體生長技術(shù)具有成本低、用途廣、適應(yīng)性強和設(shè)備簡便等優(yōu)點,因而被廣泛的用于有機材料晶體生長領(lǐng)域。本論文針對對三聯(lián)苯等有機材料晶體生長的困難因素,根據(jù)布里奇曼晶體生長技術(shù)的特點,進行對三聯(lián)苯單晶生長過程的數(shù)值模擬和實驗,研究生長容器(安瓿)的形狀和結(jié)構(gòu)對晶體缺陷、晶格結(jié)構(gòu)和晶體性能的影響;同時,以對三聯(lián)苯為主體,并四苯和并五苯分別為客體,開展摻雜晶體生長實驗,研究不同濃度的摻雜對晶格結(jié)構(gòu)和晶體性能的影響。具體內(nèi)容包括:(1)運用數(shù)值模擬方法,對布里奇曼法對三聯(lián)苯單晶生長過程的熱場和流場耦合的多物理場進行了瞬態(tài)模擬仿真,研究了安瓿的尖端形狀和錐角結(jié)構(gòu)對晶體生長過程中的溫度分布、熔體流動和結(jié)晶界面的影響。模擬結(jié)果表明,相對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分布,使其在結(jié)晶過程中形成水平的結(jié)晶界面,有助于晶體的生長;又能使其流場中形成顯著而穩(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)晶界面和流場分布越有利于優(yōu)質(zhì)晶體的生長。(2)根據(jù)布里奇曼法晶體生長工藝和有機材料性質(zhì),針對制備過程中的技術(shù)困難,對安瓿進行了優(yōu)化設(shè)計,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措施。實驗證明該優(yōu)化雙層安瓿能夠有效阻止制備過程中雜質(zhì)的產(chǎn)生和進入,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行了布里奇曼法對三聯(lián)苯單晶生長實驗,對比測試分析了不同安瓿中生長的對三聯(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-可見光吸收光譜的雜質(zhì)增色效應(yīng)和拉曼光譜的強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,分別進行了不同配比的并四苯摻入對三聯(lián)苯(并四苯,0.01wt%和0.1wt%)的晶體生長實驗,測試分析了不同摻雜濃度的樣品之間及其與對三聯(lián)苯單晶間的性能差異,研究了不同濃度摻雜對晶格結(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有觀察到對三聯(lián)苯以外的特征峰。熒光光譜和紫外-可見光吸收光譜研究表明,并四苯客體分子的摻入使對三聯(lián)苯晶體的兩種光譜中表征對三聯(lián)苯分子躍遷的特征峰強度均下降,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,主體分子特征峰強度持續(xù)下降,客體分子特征峰強度則相應(yīng)增大。(5)采用優(yōu)化雙層安瓿,分別進行了不同配比的并五苯摻入對三聯(lián)苯(并五苯,0.01wt%和0.1wt%)的晶體生長實驗,測試分析了不同摻雜濃度的樣品之間及其與對三聯(lián)苯單晶間的性能差異,研究了不同濃度摻雜對晶格結(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有對三聯(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-可見光吸收光譜研究表明,并五苯客體分子的摻入使對三聯(lián)苯晶體的兩種光譜