功能分子材料

第1章  绪论 / 1

1.1  材料的分类及特点 1

1.1.1  材料的分类 1

1.1.2  材料的特点 1

1.2  功能分子材料 2

1.2.1  功能分子材料的定义
2

1.2.2  功能分子材料的特点
2

1.2.3  功能分子材料的发展趋势 3

1.3  展望 6

参考文献 7

第2章  有机太阳能电池材料 / 8

2.1  概述 8

2.1.1  有机太阳能电池发展背景 8

2.1.2  有机太阳能电池发展历史 9

2.1.3  本体异质结有机太阳能电池 11

2.1.4  界面缓冲层及器件结构
12

2.1.5  太阳能电池的器件参数
13

2.1.6  活性层材料的设计规则
14

2.2  有机太阳能电池活性层材料
15

2.2.1  聚合物给体材料 15

2.2.2  小分子给体材料 17

2.2.3  聚合物受体材料 23

2.2.4  小分子受体材料 26

2.3  染料敏化太阳能电池 30

2.3.1  染料敏化太阳能电池的发展 30

2.3.2  染料敏化太阳能电池的工作原理 31

2.3.3  染料敏化太阳能电池的研究进展 31

2.3.4  染料敏化太阳能电池光阳极 33

2.3.5  染料敏化太阳能电池中的电解质 33

2.4  有机无机杂化太阳能电池
34

2.4.1  有机无机杂化太阳能的概述 34

2.4.2  杂化电池的原理和结构
34

2.4.3  杂化电池的发展史
36

2.4.4  给体材料的发展和选择
36

2.4.5  无机半导体材料的选择和发展 38

2.5  钙钛矿太阳能电池 41

2.5.1  钙钛矿太阳能电池的发展 41

2.5.2  钙钛矿薄膜的形貌调控
43

2.5.3  太阳能电池中钙钛矿光吸收层的结构设计 44

2.5.4  发展基于钙钛矿的光吸收层 45

2.5.5  带隙调控 46

参考文献 53

第3章  有机场效应晶体管材料 / 58

3.1  概述 58

3.1.1  有机场效应晶体管器件
58

3.1.2  有机场效应晶体管材料
61

3.2  小分子空穴传输材料 61

3.2.1  并苯类 61

3.2.2  联苯和芴类 63

3.2.3  并噻吩类 64

3.2.4  含O或S原子的稠环类 66

3.2.5  低聚噻吩类 67

3.2.6  酞菁和卟啉类 70

3.2.7  氮杂并苯类 71

3.3  小分子电子传输材料 72

3.3.1  卤素原子修饰类 73

3.3.2  强吸电子基团修饰类
74

3.3.3  酰亚胺类 77

3.3.4  富勒烯类 79

3.4  聚合物空穴传输材料 80

3.4.1  聚噻吩类 80

3.4.2  聚并噻吩类 81

3.4.3  聚吡咯并吡咯二酮类
82

3.4.4  聚异靛蓝类 83

3.5  聚合物电子传输材料 84

参考文献 85

第4章  有机电致发光材料 / 88

4.1  概述 88

4.1.1  OLED器件结构
88

4.1.2  OLED制备工艺
89

4.1.3  OLED性能指标
89

4.1.4  OLED发光材料分类
90

4.2  蓝光材料 91

4.2.1  小分子蓝光材料 91

4.2.2  枝状蓝光材料 104

4.2.3  聚合物蓝光材料
106

4.3  绿光材料 107

4.3.1  荧光型绿光材料
108

4.3.2  磷光型绿光材料
111

4.4  红光材料 111

4.4.1  荧光型红光材料
111

4.4.2  磷光型红光材料
114

4.5  白光材料 115

4.5.1  小分子型白光材料
115

4.5.2  聚合物型白光材料
117

4.6  其他 119

4.6.1  热活化延迟荧光
119

4.6.2  材料合成 119

4.6.3  材料理论计算 121

4.7  结语 121

参考文献 123

第5章  非线性光学分子材料 / 126

5.1  非线性光学基础 126

5.1.1  非线性光学简介
126

5.1.2  非线性光学基本概念
126

5.1.3  非线性光学原理
127

5.1.4  非线性光学发展进程
128

5.2  非线性光学分类 129

5.2.1  按光学性能分类
129

5.2.2  按材料类型分类
129

5.3  应用与展望 144

参考文献 145

第6章  聚集诱导荧光材料 / 147

6.1  概述 147

6.2  基于AIE染料纳米探针的设计方案 148

6.2.1  聚集诱导发光分子和两亲性高分子的自组装 148

6.2.2  共价结合聚集诱导发光染料和高分子 149

6.2.3  乳液聚合 151

6.2.4  可逆加成断裂链转移聚合 152

6.2.5  开环易位聚合 154

6.2.6  开环反应 155

6.2.7  溶胶-凝胶封装法 157

6.3  生物医学应用 158

6.3.1  生物成像 158

6.3.2  生物传感器 162

6.3.3  诊疗 163

6.4  基于聚集诱导发光分子的传感检测 166

6.4.1  检测带电生物分子
167

6.4.2  核酸酶活性测定和抑制剂的筛选 169

6.4.3  选择性ATP检测和相关磷酸酶测定 171

6.4.4  乙酰胆碱酯酶活性测定和抑制剂的筛选 172

6.4.5  特定阴离子和金属阳离子的选择性测定 173

6.4.6  挥发性和爆炸性有机化合物的检测 176

6.5  结论和展望 176

参考文献 177

第7章  铁电功能材料 / 180

7.1  铁电材料的历史 180

7.2  铁电材料基础 181

7.2.1  铁电材料的表征
181

7.2.2  极化和铁电畴 183

7.3  铁电材料的分类及研究进展
184

7.3.1  有机-无机杂化铁电材料 184

7.3.2  有机铁电材料 219

7.3.3  液晶铁电材料 226

7.4  铁电材料的发展前景
229

参考文献 230

第8章  导电高分子材料 / 236

8.1  概述 236

8.2  本征型导电高分子材料
237

8.2.1  本征型导电高分子材料概述 237

8.2.2  本征型导电高分子材料的导电机理 238

8.2.3  本征型导电高分子的制备 239

8.2.4  离子型导电聚合物的制备 241

8.3  主要结构型导电高分子
242

8.3.1  主要结构型导电高分子的种类 242

8.3.2  本征型导电高分子材料的应用 243

8.4  复合型导电分子材料
252

8.4.1  复合型导电高分子材料的分类 252

8.4.2  复合型导电高分子材料的导电理论 255

8.4.3  影响复合型导电高分子材料导电性能的因素 257

8.4.4  复合型导电高分子材料的应用 257

参考文献 263

第9章  梯形共轭聚合物类有机半导体 / 266

9.1  概述 266

9.2  典型的梯形共轭聚合物BBL和LPPP 267

9.2.1  聚苯并咪唑萘酰亚胺
267

9.2.2  梯形聚苯 268

9.3  聚并苯类梯形聚合物
269

9.4  梯形共轭聚合物的构建方法
273

9.4.1  Suzuki反应的构建 273

9.4.2  Yamamoto反应的构建 275

9.4.3  Diels-Alder反应的构建 275

9.5  聚染料类梯形聚合物
276

9.5.1  聚苝酰亚胺类梯形聚合物 276

9.5.2  梯形共轭聚卟啉
281

参考文献 283

第10章  分子基磁性材料 / 285

10.1  概述 286

10.2  磁性的分类 287

10.2.1  抗磁性 287

10.2.2  顺磁性 288

10.2.3  Van Vleck方程和磁耦合 288

10.2.4  铁磁性 291

10.2.5  反铁磁性 292

10.2.6  亚铁磁性 292

10.2.7  倾斜弱铁磁性
293

10.2.8  介磁性 293

10.3  单分子磁体 294

10.3.1  过渡金属单分子磁体
296

10.3.2  3d-4f单分子磁体 301

10.3.3  稀土金属单分子磁体
304

10.3.4  单离子磁体 313

10.4  单链磁体 323

10.5  自旋玻璃 325

10.6  自旋交叉材料 325

10.7  高Tc材料 329

10.8  磁制冷材料 329

10.9  多功能磁性材料 333

10.9.1  手性磁体 333

10.9.2  导电磁体 335

10.9.3  光诱导磁体 339

10.9.4  多铁材料 341

参考文献 344

第11章  多孔有机功能材料 / 351

11.1  概述 351

11.2  金属-有机框架材料
351

11.2.1  MOFs的特点及性质 351

11.2.2  MOFs的构筑策略及设计合成 353

11.2.3  MOFs材料的应用
354

11.3  共价有机框架材料
358

11.3.1  COFs材料的特点及性质 358

11.3.2  COFs的构建策略与设计合成 362

11.3.3  COFs的应用开发
364

11.4  共轭微孔聚合物 367

11.4.1  CMPs的结构特点
367

11.4.2  CMPs的设计合成及应用 368

11.5  多孔芳香骨架材料
370

11.5.1  PAFs的性质特点
370

11.5.2  PAFs的合成及应用 370

11.6  展望 371

参考文献 371

第12章  分子催化材料 / 373

12.1  概述 373

12.2  过渡金属化合物作分子催化材料 374

12.2.1  d区元素化合物作分子催化材料 374

12.2.2  ds区元素化合物作分子催化材料 387

12.2.3  主族金属元素化合物作分子催化材料 390

12.3  有机酸碱化合物作分子催化材料 392

12.3.1  有机酸化合物作分子催化材料 392

12.3.2  有机碱化合物作分子催化材料 395

12.4  分子催化材料的未来与展望 397

参考文献 398

 

材料科学是一门研究材料的结构、性质、生产、应用以及它们之间的相互关系，集物理、化学、电子等学科于一体的科学，材料科学与工程技术和工业应用密不可分。进入新世纪的十多年，材料科学蓬勃发展，出现了多个分支。功能材料作为当前化学及材料研究领域中的一个重要分支，涉及理、工、医等各个领域，是发展非常迅速的交叉学科。目前，在化学及材料专业的本科及研究生培养中都开设了有关材料方面的专业课程，使用的主要教材包括《功能高分子材料》《功能材料》及《现代功能材料》等，内容偏重于高分子材料和纳米材料。

功能分子材料作为当前功能材料研究的重要方向，其材料的合成组装、功能调控开发和相关应用研究是当前国际上的研究热点，涵括了功能高分子材料、生物材料、无机材料等多方面的领域，偏重基于分子的功能性材料的发展，但介绍分子基功能材料的教程只有游效曾先生所著的《分子材料——光电功能配合物》一本著作。因此，编著一本既兼备基础知识，又突出介绍学科前沿发展，使读者能了解和熟悉功能材料的前沿领域，了解它们的应用范围、作用机理、设计的基本原则的研究生教材是本书编写的宗旨所在。期望教材能够帮助读者对当前功能分子材料领域的发展脉络及研究进展获得一个相对清晰的认识，了解分子材料的合成及设计策略、方法及应用，培养创新思维及能力，有益于研究生独立科研工作能力的培养。同时期望教材能扩展研究生视野、传播学科领域的知识，有助于化学、化工、材料等专业研究生教学质量的提高和相关专业领域产业和科学研究的进步。本书也可以供相关领域的专业人员交流学习参考。

教材共分12章，主要内容涵盖了有机太阳能电池、场效应晶体管、电致发光、非线性光学、聚集诱导荧光、铁电、导电、有机半导体、磁性、多孔、催化等各分支领域的功能分子材料，以功能为导向的分子基材料的设计策略、合成方法、应用前景及发展脉络、前沿及展望为主题框架，涵括基础，突出前沿与发展，理论联系实际，以典型的实例来揭示相关研究领域的进展。

本教材是由不同研究领域老师结合学科发展、研究经历及国内外资料编写而成。参与编写工作的有陈义旺（第1章）、袁凯（第2章）、袁忠义（第3章和第9章）、熊涛（第4章）、魏振宏和蔡琥（第5章）、张小勇（第6章）、谢永发（第7章）、张有地（第8章）、李东平（第10章）、陈超（第11章）、付拯江和蔡琥（第12章）。

在教材的编写过程中，得到了有关部门和一些关心教材编写的老师以及化学工业出版社编辑的热情帮助和大力支持，在此一并表示衷心感谢。

鉴于编者学识有限，书中遗漏和不足之处在所难免，恳请广大同仁和读者批评指正。

陈义旺     

2018年7月