Synthesis, Structures, and Optical Properties of Organic-Inorganic Hybrid Materials
유무기 복합재료의 합성, 구조 및 광학적 특성에 대한 연구
- 주제어 (키워드) Organic-inorganic hybrid materials , Photoluminescence , Birefringence , Second harmonic generation , Crystal structure , Structure-property relationship; 유기-무기 복합재료 , 광발광 , 복굴절 , 결정 구조 , 구조-특성 상관관계
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 옥강민
- 발행년도 2024
- 학위수여년월 2024. 8
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 화학과
- 실제 URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000079138
- UCI I804:11029-000000079138
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록 (요약문)
Organic-inorganic hybrid materials represent a diverse class of compounds with varied structures and compositions, allowing for facile design to achieve desired properties by leveraging a multitude of organic molecules and metal moieties. Consequently, they find applications across various fields. This dissertation aims to present design strategies for novel organic-inorganic hybrid materials for various purposes and discuss the correlation between structure and properties based on X-ray structural analysis and density functional theory. Photoluminescence is a prominent characteristic of organic-inorganic hybrid materials, where light emission from the material is useful in sensors, displays, and optoelectronic devices. Particularly, organic-inorganic hybrid materials composed of manganese (II) cations exhibit a range of photoluminescent phenomena from green to red, depending on the coordination environment of the manganese cation. Utilizing two structurally related aminomethylpyridine molecules to control the coordination environment of manganese bromide, we will discuss organic-inorganic hybrid materials exhibiting distinct photoluminescent phenomena. Furthermore, organic-inorganic hybrid materials frequently exhibit birefringence, where incident light is refracted in different directions depending on the constituents of the material, a crucial feature utilized in applications such as liquid crystal displays and micro-optical components. We will discuss the principles of enhanced birefringence observed in organic-inorganic hybrid materials comprising silver ions with linear coordination environments, aminoalkylpyridine molecules with varying lengths of alkyl chains, and nitrate ions possessing delocalized π-electrons, wherein the environment of π-electrons within the structure is modulated to include amine-silver-pyridine coordination bonds. Organic-inorganic hybrid materials are also well-suited for designing noncentrosymmetric crystalline structure, garnering significant interest in optical, electronic, and catalytic fields. Noncentrosymmetric structural materials exhibit various energy conversion characteristics such as piezoelectricity, ferroelectricity, strong second-harmonic generation, etc. Hence, diverse methods for their effective design are under discussion. In this study, we propose a synthesis strategy for noncentrosymmetric structures by effectively controlling hydrogen bonding networks and steric hindrance using derivatives of phenethylamine with a bent structure favorable for hydrogen bonding and metal moieties containing fluoride ions with the highest electronegativity on the periodic table. We aim to present this strategy for synthesizing chiral crystalline structures and discuss their properties.
more초록 (요약문)
유기-무기 복합재료는 다양한 구조와 조성을 가진 화합물 군을 대표하며, 무수한 종류의 유기 분자와 금속 단위체를 자유롭게 활용하여 재료를 구성할 수 있기 때문에 목표로 하는 특성을 구현하기 위한 설계가 용이하고, 다양한 분야로의 응용이 가능하다. 이 학위논문에서는 다양한 목적을 위한 신규 유기-무기 하이브리드 재료의 설계전략을 제시하고 X-선 구조분석 결과와 밀도범함수이론을 기반으로 한 구조-특성 간의 상관관계에 대한 연구 결과를 논의하고자 한다. 광발광은 유기-무기 복합재료의 가장 대표적인 특성으로, 재료의 빛 방출은 센서, 디스플레이 및 광전자 장치에서 유용하게 사용되다. 특히 망간 2가 양이온으로 구성된 유기-무기 하이브리드 재료는 망간 양이온의 배위환경에 따라 녹색에서부터 붉은색에 이르는 다양한 색의 광발광현상을 보이는 것으로 알려져 있다. 구조이성질체 관계에 있는 두 aminomethylpyridine 분자를 활용하여 브롬화망간의 배위 환경을 통제하고 이를 통해 서로 다른 광발광현상을 보이는 유기-무기 복합재료에 대해서 논의할 것이다. 또한, 유기-무기 복합재료는 소재에 입사된 빛이 물질의 구성요소에 따라 서로 다른 방향으로의 굴절률의 차이가 발생하는 복굴절 특성을 보이는 경우가 빈번하며, 이는 액정 디스플레이 및 마이크로광학 구성 요소와 같은 응용 분야에 중요하게 활용되는 특징이다. 선형 배위환경을 갖는 은 이온과, 서로 다른 길이의 지방족사슬을 갖는 aminoalkylpyridine 분자, 그리고 비편재화 된 π-전자를 갖는 질산염 이온으로 구성된 유기-무기 복합체를 설계하고, 구조 내 π-전자의 환경을 조절하여 아민-은-피리딘 배위결합을 포함하는 질산염 복합체에서 발견된 증강된 복굴절 효과의 원리에 대해서 논의한다. 더불어 유기-무기 복합재료는 광학, 전자기기, 촉매 분야에서 많은 관심을 받고 있는 비중심대칭 구조의 결정성 고체 화합물을 설계하는데 최적화 되어있다. 비중심대칭 구조 재료는 압전성, 초전성, 강유전성, 그리고 제2 고조파 생성 현상과 같이 다양한 에너지 전환 특징을 보인다. 따라서 이를 효과적으로 설계하기 위한 다양한 방법들이 논의되고 있다. 본 연구에서는 수소결합 및 π-π 상호작용이 용이한 굽은형 구조의 phenethylamine 유도체와 전기음성도가 가장 높은 불소이온 및 불소이온이 포함된 금속 단위체를 활용하여 구성 요소들 사이의 수소 결합 네트워크와 입체장애 현상의 효과적인 조절을 통해 비중심대칭 구조의 합성 전략을 제시하고 그 특성에 대해서 논하고자 한다.
more목차
1. Introduction 25
1.1. Organic-Inorganic Hybrid Materials (OIHMs) 25
1.2. Advances in Photoluminescent Materials: Harnessing the Potential of Organic-Inorganic Hybrids Materials 27
1.3. Advantages of Organic-Inorganic Hybrid Materials as Birefringent Materials 28
1.4. Design Strategies for Noncentrosymmetric Structures and the Potential of OIHMs 30
1.5. References 32
2. Protonated Aminomethylpyridine Manganese Bromide 38
2.1. Abstract 38
2.2. Introduction 39
2.3. Experimental Section 40
2.4. Result and Discussion 46
2.4.1. Crystal structure for 4A3MP-Mn 60
2.4.2. Crystal structure for 5MP3A-Mn 61
2.4.3. Thermal analyses 63
2.4.4. Spectroscopic Characterizations 65
2.4.5. Theoretical Calculations 77
2.5. Conclusion 79
2.6. References 81
3. Aminoalkylpyridine Silver Nitrate 91
3.1. Abstract 91
3.2. Introduction 93
3.3. Experimental Section 95
3.4. Results and Discussions 109
3.4.1. Crystal structure for AgAMP 109
3.4.2. Crystal structure for AgAEP 111
3.4.3. Thermal Analyses 112
3.4.4. Spectroscopic Characterization 113
3.4.5. Theoretical Calculations 122
3.5. Conclusion 127
3.6. References 129
4. Protonated Phenethylamine complex with H-bonding networks 141
4.1. Abstract 141
4.2. Introduction 142
4.3. Experimental Section 145
4.4. Results and Discussions 177
4.4.1. Crystal structures for Organic Fluoride 177
4.4.2. Crystal structures for Organic Antimony Fluoride 183
4.4.3. Thermal Analyses 187
4.4.4. Spectroscopic Characterizations 189
4.4.5. Theoretical calculations 196
4.5. Conclusion 202
4.6. References 205
5. Conclusion 210
