新型有机哌嗪-2-硝基苯甲酸盐单晶的制备及其光电应用特性研究

本文推荐一种新型有机非线性光学晶体——哌嗪-2-硝基苯甲酸盐（P2NA），通过慢蒸发溶液法（SEST）成功制备，并系统表征其单晶X射线衍射（SXRD）、紫外-可见-近红外（UV-Vis-NIR）光谱、热重-差热分析（TG-DTA）等性能。研究表明，该晶体具有单斜晶系（P21/c空间群）、高光学透明性（截止波长270 nm）及显著的三阶非线性光学效应（Z-scan测定χ3），在光电信号处理、光学限幅等领域具应用潜力。

　　

Highlight

P2NA材料的合成过程

采用慢蒸发溶液技术（SEST）成功制备哌嗪-2-硝基苯甲酸盐（P2NA）单晶。以甲醇为溶剂，将分析纯哌嗪（7.92 g）与2-硝基苯甲酸（20 g）按1:1摩尔比混合，经双重过滤后室温蒸发结晶，最终获得高质量单晶（图1）。

SXRD分析

单晶X射线衍射（SXRD）揭示P2NA晶体属于单斜晶系，空间群为P2₁/c。数据证实其晶胞参数为：a = 12.46 ?, b = 7.12 ?, c = 15.38 ?，β = 90.13°，晶胞体积V = 1365 ?³。该结构已存入剑桥晶体学数据中心（CCDC 2423548）。

PXRD与形貌分析

粉末X射线衍射（PXRD）谱显示尖锐衍射峰，证实晶体高纯度。通过WinXMorph软件解析，晶体主要显露(100)、(011)、(110)等晶面，形貌模拟与实验观测高度吻合。

光学性能

UV-Vis-NIR光谱显示P2NA在270-1100 nm波段具高透明度（透过率>70%），光学带隙为4.59 eV，表明其适用于紫外至近红外光学器件。

热稳定性

TG-DTA分析表明晶体在148°C以下稳定，熔点为152°C，分解温度达220°C，优于多数有机非线性光学材料。

结论

P2NA单晶展现出优异的综合性能：高光学质量、显著三阶非线性效应（χ³ = 3.21×10^-6 esu）、正光导性及机械稳定性（维氏硬度52.4 HV），在光学计算、激光防护等领域具有明确的应用前景。