一种新型有机化合物——尿素戊二酸的晶体结构、光谱特性、光致发光性能及介电特性

《Journal of Molecular Structure》：Crystal structure, spectroscopic, photoluminescence, and dielectric characteristics of a new organic compound: Urea Pentanedioic Acid

新型有机晶体尿素戊二酸（UPA）通过渐干法合成，X射线衍射显示其正交晶系（Pnma空间群），晶胞参数a=15.152(3)?, b=11.728(3)?, c=5.1151(12)?，氢键网络（N–H?O和O–H?O）稳定晶体结构。扫描电镜证实层状生长特征，紫外-可见光谱显示带隙4.93eV，紫外截止波长252nm，可见光区（275-800nm）高透光率。荧光光谱检测到483nm特征发射，介电常数低且损耗小，综合性能适用于显示器件和微电子领域。

　　

Helen Merina Albert | L. Kishore | N. Padmamalini | R. Priya | G. Chinna Ram | Maddikera Kalyan Chakravarthi | Nellore Manoj Kumar | E. Karthikeyan

印度金奈Sathyabama科学技术学院物理系

摘要

1. 在这项研究中，通过逐步蒸发法成功制备了一种新型的尿素戊二酸（UPA）有机晶体相，其化学式为C₆H₁₂N₂O₅。X射线衍射分析表明，UPA晶体属于正交晶系，其晶格参数分别为a = 15.152(3) ?, b = 11.728(3) ?, c = 5.1151(12) ?, V = 908.9(4) ?³。尿素中的氨基氮原子与戊二酸中的羧基氢原子（N–H?O）以及戊二酸中的羧基氧原子与尿素中的氨基氢原子（O–H?O）之间的分子间氢键作用稳定了UPA的晶体结构。扫描电子显微镜（SEM）观察显示晶体表面光滑，具有生长台阶和微台阶，证明了晶体是逐层有序形成的。傅里叶变换红外光谱（FTIR）用于识别尿素和戊二酸官能团的振动特征。紫外-可见光谱显示在222 nm处有强吸收峰，截止波长为252 nm，275至800 nm范围内透射率较高。该晶体的带隙和Urbach能量分别为4.93 eV和0.568 eV。光致发光分析及其CIE色度图表明，由于在483 nm处有显著的发光特性，UPA晶体在显示器件中具有潜在应用价值。介电测量结果显示UPA晶体具有较低的介电常数和较小的介电损耗。实验结果表明，UPA样品可用于光学和微电子器件领域。

引言

1. 对具有特定功能的先进材料的持续探索推动了各个科学和技术领域的创新。有机晶体因其丰富的结构多样性、可调性质以及在制药、光电子学和传感器等领域的广泛应用而受到广泛关注[1,2]。精确控制晶体晶格中的分子排列为设计高性能和新型材料的提供了有力手段。有机晶体化合物是一类在多个科学和技术领域受到高度重视的材料[3,4]。与传统通常较脆的无机晶体不同，有机晶体由离散的有机分子通过氢键和范德华力形成高度有序的周期性结构[5]。传统无机材料在柔韧性、透明性、成本和环境影响方面存在局限性。有机晶体中精确的分子排列使其性质可精细调节，从而产生其他材料难以实现的新化合物或改进型化合物[6]。有机晶体化合物的重要性在于其多样且通常更优越的性质，这些性质使其在包括光电子学和有机发光二极管（OLEDs）在内的多个领域具有突破性应用[7]。
   1. 基于尿素的有机晶体化合物是一类有趣的材料，其分子结构中含有尿素基团[?NH?CO?NH?]。尿素是一种简单且用途广泛的分子，具有很强的氢键能力，既可作为氢键供体（N?H），也可作为受体（C=O）。这种形成多方向氢键的能力使尿素成为晶体工程和超分子化学中的重要构建模块[8]。当尿素与其他有机分子共结晶时，可以引导形成复杂的有序晶体结构。这些结构具有多种有趣且有用的特性，使其在多个科学和技术领域都具有重要意义。许多研究人员研究了尿素衍生物，如尿素 adipic acid [9]、尿素 2-furoic acid [10]、尿素 tartaric acid [11]、pyridine urea [12]、urea ninhydrin monohydrate [13]、urea oxalic acid [14]、urea resorcinol [15]、urea p-nitrophenol [16]、urea l-malic [17]、urea maleic [18]、urea phthalic acid [19] 和尿素 succinic acid [20]，这些衍生物具有适中的带隙、光学特性和结构灵活性。
   1. 然而，大多数相关研究仅关注结构表征或单一性质，未能建立晶体结构与功能性质之间的普遍关联。本次对尿素戊二酸（UPA）的分析更为全面，系统地关联了晶体结构、振动性质、光学特性和介电响应等参数。表1展示了UPA晶体与某些尿素-羧酸复合物的结构和光学特性对比。与以往报道的尿素-羧酸复合物相比，当前研究的UPA晶体具有稳定的正交结构、较高的光学带隙（4.93 eV）和较短的截止波长。该体系的光学透明度和绝缘性能有所提高。与大多数仅考虑孤立性质的研究不同，本研究直接揭示了晶体结构、氢键作用与光学和介电等多功能性质之间的关联，提供了更深入的结构-性质关系见解。
      1. 本文介绍了一种新合成的有机晶体——尿素戊二酸（UPA），它是通过尿素和戊二酸的逐步蒸发过程共结晶得到的。戊二酸（又称戊二酸）是一种二元羧酸，具有多个氢键结合位点，具有形成聚合物或层状结构的潜力[21]。具有广泛氢键网络的有机晶体结构可以模拟聚合物或准层状结构，促进电荷传输。分子间相互作用在这些系统中对维持电荷流动和电子耦合也至关重要。与传统的二维有机材料相比，如UPA这样的氢键晶体具有局部的电荷传输路径。这两种分子构建块的结合有望产生具有独特超分子结构和优异物理化学性质的复合材料。尿素戊二酸的合成与表征为探索有机共晶体领域的重要进展。本文详细介绍了UPA的合成方法、预期晶体结构以及分子间相互作用的本质，并强调了其在各种应用中的潜在价值。通过了解这种新型材料的基本晶体学和光谱性质，我们可以为未来对其性能和在尖端技术中的应用进行研究奠定基础。本文介绍了UPA单晶的合成方法及其通过XRD、UV-Vis、FTIR、光致发光、CIE色度和介电分析进行的表征。

      晶体形成

      1. 有机复合物UPA是由AR级戊二酸（也称为戊二酸，化学式C₅H₈O₄）和尿素（CH₄N₂O）等化学品在Loba Chemie PVT LTD公司购买后制备的。UPA晶体是在32°C的水溶液中通过逐步蒸发法获得的。通过重结晶技术提高了样品的纯度。初始原料尿素和戊二酸以1:1的摩尔比加入装有蒸馏水的烧杯中。

      晶体结构的确定

      1. 使用SHELXT 2018/2程序结合内在相位技术确定了UPA的晶体结构，随后使用SHELXL-2019/2程序通过全矩阵最小二乘法进行了精修（以F2为准）。非氢原子的精修采用了各向异性位移参数，而C原子上的氢原子则采用各向同性位移参数。本文中描述的UPA晶体晶体学细节已收录在“Cambridge Crystallographic”数据库中。

      结论

      1. 本研究通过缓慢蒸发法在25天内制备出了新型有机化合物尿素戊二酸（UPA）。通过晶体学、紫外-可见光谱（UV-Vis）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、光致发光（photoluminescence）、CIE色度（CIE chromaticity）和介电（dielectric）分析评估了UPA的结构特征、光谱性质、光电子发射和介电性能。晶体学研究表明，UPA属于正交晶系（Pnma空间群）。扫描电子显微镜（SEM）图像显示了清晰的晶体结构特征。

      伦理标准遵守情况

      1. “本文未包含任何作者参与的人体或动物实验。”

      资助信息

      不适用。

      CRediT作者贡献声明

      Helen Merina Albert：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、实验设计、数据分析、概念构建。
      L. Kishore：撰写——审稿与编辑、方法学设计、数据分析。
      N. Padmamalini：初稿撰写、实验设计、数据分析。
      R. Priya：初稿撰写、资源获取、实验设计、数据分析。
      G. Chinna Ram：结果验证、软件使用、数据分析、概念构建。
      Maddikera Kalyan Chakravarthi：数据可视化处理。

      利益冲突声明

      作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。