克服带隙-双折射之间的权衡：通过质子转移工程实现高性能的紫外透明有机晶体

《ANGEWANDTE CHEMIE-INTERNATIONAL EDITION》：Overcoming the Bandgap-Birefringence Trade-Off: Proton-Transfer Engineering of High-Performance Ultraviolet-Transparent Organic Crystal

质子转移策略构建高极化各向异性π共轭基团，成功合成双厘米级有机双折射晶体，具有宽禁带（>3.0 eV）、高双折射率（Δn=0.629）及优异空气稳定性，协同效应源于基团高Δα与晶体中小面角结构。

　　

摘要

双折射晶体是控制光偏振状态的关键材料，其性能的突破对于先进光学设备至关重要。在本研究中，通过质子转移策略制备了具有高极化率各向异性的π共轭基团[C₇N₂H₁₁]⁺和[C₅N₄H]^?。这些基团的极化率各向异性（Δα）明显高于相应的中性分子。基于这一设计，成功制备出了两种厘米级的晶体：[(C₇N₂H₁₁)⁺(C₅N₄H)^?]·C₇N₂H₁₀·H₂O（双折射率 Δn = 0.233 @ 546 nm，带隙 3.66 eV）和 [(C₇N₂H₁₁)⁺(C₅N₄H)^?]·H₂O（双折射率 Δn = 0.629 @ 546 nm，带隙 3.79 eV）。[(C₇N₂H₁₁)⁺(C₅N₄H)^?]·H₂O在具有宽带隙（> 3.0 eV）的有机晶体中表现出最高的双折射率。结构分析和理论计算表明，[C₇N₂H₁₁]⁺和[C₅N₄H]^?本身的高极化率各向异性，加上晶体中相邻功能团之间的相对较小的分子内二面角，共同作用使其具有优异的双折射性能。此外，[C₅N₄H]^?通过氢键网络稳定了水分子，提高了材料的空气稳定性。这项工作为基于质子转移和高极化率各向异性π共轭基团设计高性能双折射晶体提供了一种新策略。

图形摘要

通过质子转移策略定向制备出了高性能有机双折射晶体[(C₇N₂H₁₁)⁺(C₅N₄H)^?]·C₇N₂H₁₀·H₂O和[(C₇N₂H₁₁)⁺(C₅N₄H)^?]·H₂O。这些晶体具有优异的空气稳定性、宽带隙和出色的双折射性能。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

支持本研究结果的数据可在本文的补充材料中找到。