[发明专利]一种石墨烯/聚吡咯甲烯三阶非线性光学复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯/聚吡咯甲烯三阶非线性光学复合材料的制备方法，属于非线性光学材料的制备领域。该制备方法包括以下步骤：将二氯乙酰氯改性石墨烯和3‑酰基吡咯在酸性条件下混合后，再加入4‑烷氧基苯甲醛，反应得到石墨烯/聚吡咯甲烷复合材料；再对制备的石墨烯/聚吡咯甲烷复合材料进行醌化处理，制得所述石墨烯/聚吡咯甲烯三阶非线性光学复合材料。本发明制备的石墨烯/聚吡咯甲烯三阶非线性光学复合材料不仅能够均匀地分散在二氯甲烷、氯仿、甲苯等低沸点溶剂中，成膜性优良，而且具有较窄的光学带隙和较大的三阶非线性光学极化率，在光调制器、变频器和全光开关等领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于非线性光学材料的制备领域，具体涉及一种石墨烯/聚吡咯甲烯三阶非线性光学复合材料的制备方法。

背景技术

近些年来，三阶非线性光学共轭聚合物材料的研究引起人们的高度重视。同无机非线性光学材料相比，三阶非线性光学共轭聚合物材料具有非线性极化率大、易加工及分子设计简便等优点。科学家经过调研后发现，三阶非线性光学共轭聚合物材料将在光通讯用的光电调制器件、光计算用的神经网络、空间光调制器、光开关器件以及全光串行处理元件等许多方面得以应用。理论分析表明，具有较长共轭长度和较窄能带宽度的共轭聚合物是三阶非线性光学材料的首选材料。聚吡咯甲烯是一种新型的三阶非线性光学共轭聚合物材料，与其它共轭聚合物材料相比，具有较窄的能带宽度、较大的π电子离域性、较高的非线性极化率和超快的非线性光学响应，是最有希望实际应用的三阶非线性光学共轭聚合物之一。但是目前聚吡咯甲烯的合成路线和工艺尚不成熟，只有西安交通大学、浙江大学等少数高校和科研机构进行相关的研究工作，合成的聚吡咯甲烯衍生物只能溶于部分强极性有机溶剂、不易成膜、加工困难，另外，三阶非线性极化率最大只能达到10^-8 esu，尚不能满足实际应用的要求。中国发明专利（授权号：ZL201010545653.X）公开了一种聚吡咯甲烯的制备方法，该聚吡咯甲烯可以溶于氯仿、苯等低沸点溶剂中，溶解性和成膜性优良，光学带隙和三阶非线性光学极化率分别为1.84 eV和1.22×10^-8 esu。石墨烯是目前最理想的二维纳米材料，其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环。同富勒烯与碳纳米管相比，石墨烯具有成本低廉、原料易得的优点，特别是改性石墨烯表面含有大量的反应官能团，非常适用于开发高性能石墨烯/聚合物复合材料。研究结果显示，石墨烯不论是以分子间作用力与共轭聚合物复合还是以化学键合与共轭齐聚物复合，均能够使共轭聚合物与石墨烯之间形成电荷转移效应，引起共轭聚合物的π电子离域性增强，产生附加偶极矩，导致共轭聚合物的非线性光学性能显著提高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术不足，提供一种石墨烯/聚吡咯甲烯三阶非线性光学复合材料的制备方法。本发明制备的石墨烯/聚吡咯甲烯三阶非线性光学复合材料不仅能够均匀地分散在二氯甲烷、氯仿、甲苯等低沸点溶剂中，成膜性优良，而且具有较窄的光学带隙和较大的三阶非线性光学极化率，在光调制器、变频器和全光开关等领域具有广阔的应用前景。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

将二氯乙酰氯改性石墨烯添加到聚吡咯甲烯的缩合聚合反应体系中，制备得到石墨烯/聚吡咯甲烯三阶非线性光学复合材料。

制备方法包括以下步骤：

（1）将二氯乙酰氯改性石墨烯和3-酰基吡咯加入到二氯甲烷中，超声分散，同时滴加浓盐酸，调控混合体系的pH值；

（2）在N₂保护下，将4-烷氧基苯甲醛加入到步骤（1）制备的混合体系中，超声反应后，分离、浸泡、洗涤、干燥，得到石墨烯/聚吡咯甲烷复合材料；

（3）利用四氯苯醌对步骤（2）制备的石墨烯/聚吡咯甲烷复合材料进行醌化处理，分离、洗涤、干燥后，得到石墨烯/聚吡咯甲烯复合材料，即为所述石墨烯/聚吡咯甲烯三阶非线性光学复合材料。

更具体的步骤如下：