[发明专利]杂环发色团结构

说明书

本申请为2007年4月25日提交的名称为“杂环发色团结构”、申请号为200580036669.5的发明专利申请的分案申请。

发明背景

聚合电光(EO)材料在广泛的系统和设备核心应用中表现出了巨大的潜力，所述系统和设备包括相控阵雷达、卫星和光纤通信、有线电视(CATV)、用于航空及导弹制导的光学陀螺仪、电子对抗(ECM)系统、用于高速计算的背板互连、超快模-数转换、地雷探测、射频光子学、空间光调制和全光学(光光转换)信号处理。

在有外部施加的电场或入射光的情况下，非线性光学材料能够改变其一阶、二阶、三阶和更高阶的极化率(双光子吸收)。在电信应用中，二阶极化率(超极化率或β)和三阶极化率(二阶超极化率或γ)目前非常引人关注。超极化率与NLO材料的折射率响应于电场施加的变化有关。二阶超极化率与折射率响应于光子吸收率的变化有关，因而与全光学信号处理有关。非线性光学材料的更全面的讨论可见D.S.Chemla和J.Zyss，有机分子及晶体的非线性光学性质(Nonlinear optical properties of organic molecules and crystals)，Academic Press，1987和K.-S.Lee，光子学应用的聚合物I(Polymers for Photonics Applications I)，Springer 2002。

已合成了许多NLO分子(发色团)，它们显示出高的分子电光学性能。由于偶极子在材料加工中的涉入，分子偶极矩(μ)和超极化率(β)的积常用作分子电光学性能的量度。一种最初因其出色的NLO性质在二十世纪六十年代被贝尔实验室评价的发色团-分散红(DR)显示出电光学系数μβ为～580×10^-48esu。目前的分子设计，包括FTC、CLD和GLD，显示出μβ值超过10,000×10^-48esu。见Dalton等人的“新种类的高超极化率有机发色团及其合成方法(New Class of High Hyperpolarizability Organic Chromophores and Process for Synthesizing the Same)”，WO00/09613。

不过，将微观分子超极化率(β)转换成宏观材料超极化率(X⁽²⁾)时遇到了极大的困难。分子亚组分(发色团)必须整合成NLO材料，该NLO材料显示：(i)高度宏观非线性；和(ii)足够的时间、热、化学和光化学稳定性。在许多政府以及商业设备和系统中广泛商业化EO聚合物时，这些双重问题的同时解决被认为是最终的阻碍。

高材料超极化率(X⁽²⁾)的产生受到NLO发色团差的相互作用性质的限制。商业上可行的材料必须将发色团与沿单一材料轴统计取向的所需分子矩结合。为了实现这种构造，通常通过在材料加工过程中施加外部电场来利用NLO发色团的电荷转移(偶极)性质，所述外部电场的施加产生有利于非中心对称阶的局部低能条件。不幸的是，在甚至中等发色团密度下，分子形成多分子偶极结合的(中心对称的)聚集体，该聚集体不能通过实际电场能破坏。结果，NLO材料性能在约20-30％重量载荷后倾向于急剧降低。该情况的一个可能解决方案是制备可在非常低的分子浓度下产生所需超极化性质的较高性能发色团。

制造较高性能NLO发色团的尝试大部分失败了，这是由于在整个科学界采用的分子结构的性质所致。目前，所有高性能发色团(例如CLD、FTC、GLD等)结合了持久的交替单双π-共轭的共价键的“裸”链。研究者如SethMarder博士已经提供了深远的和详细的关于这种“键交替”体系的量子力学作用的研究，这对于我们目前对NLO现象起源的理解是非常宝贵的，并且又引导了现代化学工程的努力方向。尽管增加了这些链的长度通常改善NLO性质，但是一旦这些链超过约2nm，材料性能就几乎没有或没有改进。假设这主要是由于：(i)共轭原子链的弯曲和旋转，其破坏了体系的π-传导，因而降低了所得NLO性质；和(ii)这种大分子体系对材料基体内在成极过程中由于环境空间阻抑的取向的不稳定性。因此，将来的发色团结构必须显示两个重要的性质：(i)高度刚性，和(ii)较小的共轭体系，其将NLO活性集中在更致密的分子尺寸内。