Дипломная работа: Влияние температуры на концентрацию триплетных молекул в твердых растворах при сенсибилизированном возбуждении

Глава 2

 

Методика экспериментальных исследований

В данной главе рассмотрены методические вопросы.  Обосновывается выбор объектов исследования. Описывается экспериментальная установка, методика спектральных, кинетических и температурных измерений. Наряду с этим, решаются задачи определения концентрации триплетных молекул акцептора энергии, константы перехода молекул акцептора в триплетное состояние из изучения кинетики их накопления и распада. Решение этих задач необходимо для последующих исследований влияния температуры на концентрацию молекул акцептора энергии в триплетном состоянии.

2.1 РАСТВОРИТЕЛИ И СОЕДИНЕНИЯ

    Как было показано в главе 1, в н.-парафинах локальная концентрация примеси может быть намного больше, чем  средняя концентрация её в стеклообразных растворах при тех же условиях. Благодаря этому представляется возможность исследовать особенности переноса энергии при меньших расстояниях между молекулами в донорно-акцепторной паре. По этой же причине в данных системах так же должны быть более выражены механизмы концентрационного тушения триплетных состояний, вследствие чего они становятся более доступными для экспериментальных исследований. Этим и высокой растворимостью ароматических углеводородов в некоторых н.-парафинах  обусловлен их выбор в качестве растворителей.

Для решения поставленной задачи был выбран ряд н.-парафинов: от н.-гексана до н.-декана. Как показал проведенный анализ литературных данных, в н.-гексане и н.-гептане рассматриваемые молекулы примесей могут как внедряться в матрицы растворителя, так и находиться на поверхности. Н.-октан и н.-декан являются «неудобными» матрицами для доноров и акцепторов энергии, и при замораживании молекулы примесей преимущественно вытесняются на поверхность. Н-нонан был исключён из используемых растворителей, ввиду наличия фазового перехода второго рода в исследуемом интервале температур (от 77 до 122 К).

Точки плавления  н.-парафинов представлены в табл. 2.

Таблица 2

Точки плавления растворителей

Растворитель	Точка плавления, К
н.-гексан	178
н.-гептан	182
н.-октан	216
н.-декан	243

Растворители н.-гексан и н.-октан марки «ч», н.-гептан и н.-декан марки «хч», дополнительно очищались двукратной фракционной перегонкой. Отсутствие фосфоресценции растворителя в условиях проведения эксперимента являлось критерием его чистоты.

При выборе объектов исследования необходимо было учесть требования, которым должны удовлетворять молекулы донорно-акцепторной пары [7]:

1.  Триплетный уровень молекул донора энергии должен быть расположен выше триплетного уровня молекул акцептора (закон сохранения энергии).

2.  Для осуществления избирательного возбуждения только молекул донора энергии их флуоресцентный уровень должен быть ниже соответствующего уровня молекул акцептора.

При выполнении этих условий синглет- синглетный перенос энергии невозможен из-за неблагоприятного расположения энергетических уровней, а триплет-триплетный перенос наблюдается, если молекулы находятся в радиусе обменных взаимодействий.

Однако, выполнение первого условия ведет к перекрыванию спектров обычной фосфоресценции донора и сенсибилизированной фосфоресценции молекул акцептора. Разделить их спектрально в большинстве случаев представляется достаточно сложно. Поэтому для удобства экспериментальных исследований необходимо, чтобы время жизни молекул акцептора в триплетном состоянии превышало время жизни триплетных молекул донора на несколько порядков. Это позволяет отделить сенсибилизированную фосфоресценцию молекул акцептора от фосфоресценции донора во времени.

Если, например, взять в качестве акцептора молекулы, время жизни которых в триплетном состоянии несколько секунд, а в качестве донора – молекулы, время жизни которых в триплетном состоянии несколько миллисекунд, то уже спустя 0.1 - 0.5 с после прекращения возбуждения  свечение полностью определяется фосфоресценцией акцептора.

С учётом вышеперечисленных ограничений в качестве доноров энергии были выбраны ароматические кетоны: бензофенон и антрон, квантовый выход триплетных состояний которых близок к единице [132]. В качестве акцепторов – нафталин, флуорен и аценафтен.

Фосфоресценция этих соединений при низких температурах достаточно хорошо изучена. Основные спектральные и люминесцентные характеристики исследуемых ароматических углеводородов представлены в табл. 3. Как видно из приведённых данных, для любой комбинации выбранных доноров и акцепторов энергии выполняются вышеуказанные требования к донорно-акцепторным парам.

Таблица 3

Основные характеристики используемых соединений

Соединение	Молекуляр-ная формула	Растворитель	Т-уровень, см-1	S1-уровень, см-1	tфосф, с	Источник
Доноры	С13Н10О	Смесь этанола и диэтилового эфира	24250	26000	4.7×10-3	[7]
Бензофенон
Антрон	С14Н10О	Смесь этанола и диэтилового эфира	25150	27000	1.5×10-3	[7]
Акцепторы	С10Н8	Смесь этанола и диэтилового эфира	21250	31750	2.3	[7]
Нафталин
Аценафтен	С12Н10	н.- гексан н.-гексан	20870 -	31180 -	- 2.82	[116] [87]
Флуорен	С13Н10	н.-гептан	23760	33220	6.15	[87]

БЕНЗОФЕНОН. Фосфоресценция бензофенона изучалась рядом авторов как для различных кристаллических модификаций [133-136], так и для твёрдых растворов.

В твёрдых растворах в зависимости от характера взаимодействия с молекулами растворителя наблюдаются изменение положения и структуры электронных спектров, квантового выхода и длительности излучения молекул активатора.

В стеклообразных растворителях (спиртово-эфирные смеси) [7] спектры фосфоресценции ароматических углеводородов имеют диффузный характер.

Гаевским А.С. с соавторами [137] исследовались спектры фосфоресценции кристаллического, стеклообразного бензофенона и его раствора в спитово-эфирной смеси при температурах 90 К. Авторами показано, что максимум и ширина 0-0 полосы, а так же  время затухания фосфоресценции бензофенона в каждом состоянии различные (табл. 4).

Таблица 4

Характеристики излучения бензофенона в зависимости от фазового состояния

Состояние	Положение максимума  0-0 полосы, (lмах, нм)	Полуширина, (Dn, см-1)	Время затухания фосфорсценции,(t, с)
Раствор	414	700	4.7×10-3
Кристаллический	416	300-600	» 7×10-4
Стеклообразный	427	700	3.4×10-3

 Авторами [138] показано, что интенсивность и время жизни фосфоресценции бензофенона в матрицах полиметилметакрилата меняется при фазовых переходах в растворителе.

В пористой золь-гелевой матрице и в пористом натриевоборосиликатном стекле [73-75] спектр бензофенона уширяется по сравнению с этанольным раствором, наблюдается его смещение в коротковолновую область (порядка 10 нм), а так же уменьшение времени затухания и изменения в температурной зависимости.

Авторами [14] исследованы кинетические кривые затухания фосфоресценции бензофенона в различных растворителях. Получены  значения времени затухания фосфоресценции бензофенона в этаноле – (6,2 ± 0,2) мс, в смеси этанол-эфир (2:1) – (5,4 ± 0,2) мс и в смеси эфир-метилциклогексан (2:1) – (5 ± 0,2) мс.

Таким образом, фосфоресценция бензофенона испытывает существенные изменения в зависимости от растворителя и условий её наблюдения.

Авторами работы [86] была исследована фосфоресценция бензофенона в  н.-гексане и н.-гептане и показано, что спектр в данных растворителях  имеет диффузный характер.

В диссертационном исследовании, непосредственно перед опытами, где бензофенон использовался в качестве донора энергии, была подробно изучена его фосфоресценция в каждом из растворителей. В качестве примера приведён спектр фосфоресценции бензофенона в н.-октане (рис. 2). Максимуму 0-0 полосы в спектре фосфоресценции соответствует длина волны  - 418 нм, полуширина полосы 650 см-1. Время затухания  фосфоресценции бензофенона – 7 мс. Сравнивая полученные данные с результатами исследований, представленных в табл. 4, можно сделать заключение, что они ближе всего к люминесценции раствора бензофенона. К кристаллическому бензофенону их нельзя отнести, поскольку время затухания фосфоресценции кристаллического бензофенона на порядок меньше наблюдаемого, а так же ширина полос кристаллического бензофенона меньше наблюдаемой. По сравнению со стеклообразным бензофеноном наблюдается значительное расхождение в положении максимума. Поэтому спектр был отнесён к фосфоресценции мономерных молекул бензофенона, однако в н.-парафиновых растворах наблюдается длинноволновое смещение максимума на 4-6 нм по сравнению со стеклообразными растворителями, что свидетельствует, по всей вероятности, о создании повышенных локальных концентраций примесей.

 Бензофенон так же использовался в качестве донора энергии в целом ряде работ как в стеклообразных [7,14], так и в н.-парафиновых [86] растворителях.

АНТРОН.    Антрон относится к типу молекул, обладающих короткоживущей фосфоресценцией  с высоким квантовым выходом. Спектры антрона в н.-парафиновых  растворах от н.-пентана до н.-декана при 77К изучены Гобовым Г.В. и Конашенко В.И. [139]. В широком диапазоне концентраций были получены квазилинейчатые спектры от н.-пентана до н.-октана, имеющие мультиплетную структуру с различным числом компонент.

Этими же авторами антрон использовался в качестве донора энергии при исследовании сенсибилизированной фосфоресценции органических молекул в н.-парафиновых растворах [140].

НАФТАЛИН.       Спектры флуоресценции нафталина в н.-парафинах при 77К были впервые изучены Болотниковой [113,114]. Наблюдалось два вида спектров. Хорошо разрешенный квазилинейчатый спектр нафталина наблюдался в н.-пентане и циклогесане. В других н.-парафинах в пределах концентраций, при которых проводились исследования (10-3-10-4 моль/л) спектр терял квазилинейчатую структуру и состоял из размытых полос, как в стеклообразном растворе.

Dekkers J. J. с соавторами [115] исследовались спектры флуоресценции нафталина в н-парафинах при 20 К. При концентрации примеси 10-4 М получены диффузные молекулярные полосы от н.-гексана до н.-октана и только в случае н.-пентана наблюдаются резкие структурные линии.

Донорно-акцепторная пара бензофенон-нафталин наиболее часто использовалась в качестве объекта исследований при изучении триплет-триплетного переноса энергии [7,14,42,70]. В [7] приведены значения квантового выхода обычной фосфоресценции нафталина » 0,05 (в смеси эфира, изопентана и спирта) и сенсибилизированной фосфоресценции          » 0,06 - 0,07 (в спиртово-эфирной смеси) при 77 К. Спектр сенсибилизированной фосфоресценции нафталина в н.-гексане, донор – бензофенон, как и в стеклообразных растворах, представляет собой молекулярные полосы [86].

Образованию эксимеров, эксиплексов, агрегированных комплексов с участием молекул нафталина посвящен целый ряд работ [141-146].

АЦЕНАФТЕН.    Спектры флуоресценции и фосфоресценции аценафтена в н.-парафинах изучены достаточно подробно при различных концентрациях примеси  Мамедовым Х. И. [147] и Dekkers J. J. [148]. Как и для остальных рассматриваемых соединений вид спектра люминесценции аценафтена зависит от подбора растворителя и концентрации примеси.

 Наиболее удобным растворителем для аценафтена является н.-пентан, в котором спектр люминесценции в широком диапазоне конценцтраций (10-5-10-2 М) является квазилинейчатым [148]. При дальнейшем увеличении длины цепочки растворителя для малых концентраций спектр преобразуется в диффузные полосы. Так, в н.-гексане такой предельной концентрацией является 10-5 М , в н.-гептане –10-4 М, а в н.-октане квазилиний не наблюдается вообще. Представляет интерес уменьшение интенсивности свечения в последнем растворителе приблизительно на порядок при увеличении концентрации от 10-4 М до 10-2 М. Максимум диффузной полосы при этом немного смещается в коротковолновую область, а в длинноволновой области, отстоящей более чем на 1000 см-1, появляется широкое диффузное свечение, принадлежащее кристаллическому аценафтену.

При исследовании концентрационной зависимости спектров фосфоресценции аценафтена в матрицах н.-гексана при 77 К [149] наблюдалось три типа молекулярных спектров. Для концентраций раствора от 10-2 М до10-4 М наблюдался квазилинейчатый спектр. Для концентраций раствора, меньших чем 10-3 М, в спектре с коротковолновой стороны от квазилиний наблюдались широкие молекулярные полосы, смещенные  на   50 см-1  и подобные полосам в спектре флуоресценции при тех же концентрациях. В узком интервале концентраций в области 10-1 М наряду с квазилиниями появились полосы, смещенные в длинноволновую область спектра относительно квазилиний на 200 см-1. На основании результатов температурной зависимости спектров фосфоресценции аценафтена авторами выдвинуто предположение, что за первый тип центров отвечают молекулы, внедренные в кристаллы, за второй – одиночные молекулы аценафтена, вытесненные на поверхность. Третий тип обусловлен свечением центров, внедренных в кристаллы н.-гексана, однако большая ширина и их смещение, по-видимому, связаны с неоднородным уширением и увеличением электрон-фононного взаимодействия из-за высоких концентраций.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15