光电子用高折射率聚合物研发取得重大进展
光电器件已进入我们日常生活的方方面面，从 OLED 显示器到光电探测器、安全系统和环境监测 。在所有应用中，这些器件都利用高折射率聚合物 (HRIP) 来控制光线 。
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总体而言，透明 HRIP 的光学特性可实现高效的光传输和操控，使光电子器件能够引导和控制光流以提高其性能 。然而，目前还没有低成本的 HRIP 方案能够保证良好的光学性能 ， 同时又透明且环保 。这是因为，对于大多数材料而言 ， 其折射率、透明度和可加工性之间存在固有的权衡 。
现在，在最近的一项研究中，由日本早稻田大学应用化学系的 Kenichi Oyaizu 教授领导的研究小组找到了一种解决这个问题的方法 。在2024 年 4 月 12 日发表在《先进功能材料》上的文章中，研究人员报道了一种新型芳香族 HRIP，其特性使其成为现代光电应用的完美候选者 。本文由早稻田大学科学与工程研究所的 Seigo Watanabe 以及德国慕尼黑工业大学生物功能材料系的 Luca M. Cavinato 和 Rubén D. Costa 共同撰写 。
拟议的化合物家族称为聚硫脲 (PTU)，聚合物 (单体) 的每个重复单元都包含一个与硫脲基团 (H 2 N−C(=S)−NH 2 ) 相连的简单芳香环 。这些 PTU 具有一种特殊的特性：不同聚合物链中的硫脲单元通过氢键相互吸引，这是一种分子间相互作用 。简而言之，由于局部电荷差异 ， 硫脲基团中的硫 (S) 原子会吸引另一个硫脲基团中与氮 (N) 相连的氢 (H) 原子 。
这些所谓的“可极化氢键”使 PTU 材料密集堆积，形成密集网络 。由于聚合物是无定形的 ， 没有晶体顺序，因此它具有高度透明性 。同时，芳香环充当间隔物 ， 提供一定的刚性和机械强度，并有助于提高折射率 。研究团队仔细分析了这些 PTU 的特性 ， 并通过将它们整合到实验光电元件中展示了它们的潜力，获得了显著的成果 。更具体地说，所提出的 PTU 表现出超过 92% 的高透明度和 1.81 的出色折射率 。
值得注意的是，该团队还研究了 PTU 是否可以轻松降解为更简单的有用分子 。“由于最近塑料废物引起的环境问题 ， 聚合物降解为单体成为实现可持续回收的基本功能 。据我们所知，很少有人尝试赋予 HRIP 可降解性 ， 尽管全球有如此大的需求，但尚未有可降解 HRIP 的系统设计报道，”Oyaizu 教授评论道 。他们的努力促成了一种简单的降解方案 ， 该方案涉及温和的加热条件和与二胺的混合，这足以将 PTU 分解成更小的碎片，可以重新加工或重新用于新 PTU 的化学合成 。
【光电子用高折射率聚合物研发取得重大进展】总体而言，这项研究的结果对光电材料和设备在可持续发展的大背景下的未来非常有希望 。“基于这些发现 ， 环保型光学材料将通过简单的工艺轻松制备，从而实现可持续的光电产品，例如低成本的明亮显示器、可穿戴照明设备以及更薄、更轻、可降解的聚合物眼镜，”Oyaizu 教授总结道 。“我相信这是全面设计下一代光电聚合物的第一步 ， 这种聚合物可以在不损害环境的情况下提供高光提取效率 。”
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