光致變色二芳基乙烯抗疲勞特性實驗研究

1、第38卷第5期光子學(xué)報2009年5月Vol.38No.5May2009光致變色二芳基乙烯抗疲勞特性實驗研究陳利菊1,2,姚保利1, ,韓俊鶴1,郜鵬1,陳懿3,王英利1,雷銘1(1中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國家重點實驗室,西安710119)(2中國科學(xué)院研究生院,北京100049)(3中國科學(xué)院物理化學(xué)技術(shù)研究所,北京100080)3摘要:提出了一種簡單直觀的方法研究光致變色材料二芳基乙烯/PMMA.通過測量樣品在漂白和呈色過程中探測光的透過率,在此基礎(chǔ)上測量樣品的抗疲勞特性.結(jié)果顯示:,為1900J/cm2和600mJ/cm2,.2呈色過程中,通過交替的漂白2呈色循環(huán)

2、,27關(guān)鍵詞:光致變色;:A文章編號:100424213(2009)0521182250引言在可擦寫光存儲材料的研究中,有機光致變色材料引起了人們的極大關(guān)注125.已有研究將其應(yīng)用于光存儲,光開關(guān)及光信息顯示等信息處理系統(tǒng)中.然而,有機光致變色材料應(yīng)用于實際的光信息處理系統(tǒng),材料的熱穩(wěn)定性和抗疲勞特性是兩個最重要的因素.因此,具有良好熱穩(wěn)定性的光致變色材料二芳基乙烯成為新的研究熱點628,研究二芳基乙烯的抗疲勞特性尤為重要.材料的抗疲勞性是材料存儲信息可重復(fù)擦寫的能力.光存儲材料疲勞的主要原因是在無色2呈色兩態(tài)光致變色反應(yīng)的循環(huán)過程中,存在著副反應(yīng),有新的分子結(jié)構(gòu)形成,變?yōu)槌噬?無色)態(tài)的分子

3、數(shù)就會減少,這就限制了光致變色反應(yīng)的循環(huán)次數(shù).在有關(guān)的文獻(xiàn)中9213,都是通過測量光致變色循環(huán)過程中呈色(無色)態(tài)吸收譜的變化,對材料的抗疲勞特性進(jìn)行研究.文獻(xiàn)9中給出了具體的實驗方法:用兩束光交替激發(fā)樣品溶液,每經(jīng)過100次循環(huán)后,測量呈色(無色)態(tài)的吸收譜,定義當(dāng)呈色(無色)態(tài)的光密度降低到第一次循環(huán)的80%或50%時,樣品已經(jīng)疲勞,從而可以得到樣品的可擦寫次數(shù).本文在進(jìn)行二芳基乙烯光信息存儲的研究中,提出了一種更加簡單直觀方法來測量其抗疲勞特性.由光度學(xué)的理論可知,光在二芳基乙烯/PMMA膜中傳播時,滿足Lambert2Beer定理,光透過率與二芳基乙烯的呈色3(無色)態(tài)的分子數(shù)呈指數(shù)形

4、式變化,因此可以通過測量二芳基乙烯在漂白和呈色循環(huán)過程中探測光透過率的變化,分析樣品的抗疲勞特性.定義當(dāng)兩態(tài)透過率差下降為第一次循環(huán)的50%時,樣品已經(jīng)疲勞,由透過率的變化就可以得到樣品的可擦寫次數(shù).與其他方法相比,本文提出的方法更加的簡單直觀:實驗中只需兩束激發(fā)光交替擦寫,在功率計顯示屏上實時監(jiān)測循環(huán)過程中探測光透過率的變化,就可以得到樣品的可擦寫次數(shù).1材料及方法實驗材料為中科院物理化學(xué)技術(shù)研究所制備的二芳基乙烯/PMMA膜樣品,在顯微鏡下測量厚度約5m,二芳基乙烯/PMMA薄膜在紫外光照射下發(fā)生閉環(huán)反應(yīng)生成呈色態(tài),顯藍(lán)綠色.呈色態(tài)在He2Ne激光或650nm半導(dǎo)體激光照射下發(fā)生開環(huán)反應(yīng)再

5、返回?zé)o色態(tài).在日本島津UV23101PC型紫外2可見2紅外分光光度計上測量了二芳基乙烯/國家自然科學(xué)基金(60337020,60678023)資助Telmail:yaobl收稿日期:2008-01-07圖1二芳基乙烯/PMMA膜吸收譜Fig.1Theabsorptionspectraofdiarylethene/PMMAfilm5期陳利菊,等:光致變色二芳基乙烯抗疲勞特性實驗研究1183PMMA薄膜呈色態(tài)的吸收光譜,呈色態(tài)的吸收峰在622nm,光密度值為1.2,無色態(tài)吸收峰在386nm,光密度值為2.03.實驗光路如圖2.650nm半導(dǎo)體激光器輸出功率較大,因此作為

6、漂白光源,在其激發(fā)下,樣品分子中發(fā)生開環(huán)反應(yīng),由呈色態(tài)向無色態(tài)轉(zhuǎn)化,稱為漂白過程.405nm半導(dǎo)體激光器在無色態(tài)吸收峰附近,作為呈色光源,在其激發(fā)下,樣品分子中發(fā)生閉環(huán)反應(yīng),由無色態(tài)向呈色態(tài)轉(zhuǎn)化,稱為呈色過程.633nmHe2Ne激光器作為探測光源,探測在漂白和呈色過程中透過率的變化.ND1,ND2為連續(xù)衰減片.S1、S2為快門用來控制曝光時間.S為二芳基乙烯/PMMA膜樣品.L為透鏡,650nm激光光斑經(jīng)L徑約為1.2mm.D為探測器,Labmaster圖3beamversustimeanddifferentexcitationintensitiesinprocess驗之前,光量,.探測光的

7、透過率隨時間變化趨勢相同:透過率不斷上升,最終達(dá)到飽和值.圖3(b)給出了探測光透過率隨激發(fā)光曝光量的變化曲線.可以看出,在漂白過程中,二芳基乙烯樣品探測光透過率為曝光量依賴性,即使激發(fā)光強不同,只要曝光量相同,樣品的透過率最終會達(dá)到相同的值.定義最佳曝光量為探測光透過率達(dá)到最大透過率90%時所對應(yīng)的曝光量,實驗測得該樣品的最佳曝光量為1900J/cm2左右,表明該樣品對650nm的紅光不敏感.2.2二芳基乙烯紫光呈色光致變色實驗結(jié)果及分析圖2抗疲勞特性實驗裝置Fig.2Experimentalsetupoffatigueresistance2結(jié)果與分析2.1二芳基乙烯紅光漂白光致變色特性實驗

8、結(jié)果先用650nm紅光漂白樣品,曝光量達(dá)到最佳值以后,樣品完全漂白,關(guān)閉紅光.將633nm探測光和405nm呈色光同時照射在樣品上,探測光光強保持不變,為1.8mW/cm2.呈色過程光致變色實驗結(jié)果如圖4.在不同的紫光激發(fā)下,探測光透過率隨時間的變化如圖4(a),可以看出,探測光的透過率變化趨勢相同:隨時間不斷減小,最終達(dá)到飽和值;圖4(b)給出了探測光透過率隨紫光曝光量的關(guān)系.在呈色過程中,該樣品探測光透過率仍然為曝光量依賴性,紫光的最佳曝光量為600mJ/cm2,表明該樣品對紫光比較敏感.及分析將650nm漂白光和633nm探測光同時照射在樣品上,研究漂白過程中的光致變色特性,實驗結(jié)果如圖

9、3.在不同的激發(fā)光強下,探測光透過率隨時間的變化如圖3(a).可以看出,不同的激發(fā)光強下1184光子學(xué)報38卷快門S1,S2交替的擦寫,探測光的透過率在兩束光的交替作用下不斷發(fā)生轉(zhuǎn)換.通過Labmaster功率計顯示屏,可以直觀地看出探測光透過率的變化,實驗結(jié)果如圖5.圖5(a)給出了633nm透過率在循環(huán)過程中隨時間變化曲線的原始圖,可以看出,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,漂白和呈色過程中探測光透過率越來越接近.圖5(b)表示放大的循環(huán)過程:打開漂白激光400s后,探測光透過率達(dá)到穩(wěn)定值,漂白過程結(jié)束,關(guān)閉漂白激光;78s后,圖4呈色過程中,不同激發(fā)光強時探測光透過率隨時間和曝光量的變化曲線Fig.4

10、Transmissionofprobebeamversustimeandexposureunderdifferentexcitationintensitiescoloredprocess,關(guān)閉呈色.5(a)可以直觀的看出交,%27次.也可用歸一化的透過率差隨循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系來分析樣品的抗疲勞特性,如圖5(c),圖中采用數(shù)值外延法對實驗結(jié)果進(jìn)行了延伸.可以看出,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,兩態(tài)透過率差值不斷減小,經(jīng)過27次循環(huán)后,透過率差值降為第一次循環(huán)的50%,因此該樣品的可擦寫次數(shù)為27次,抗疲勞特性有待于進(jìn)一步的提高.2.3根據(jù)2.,抗疲勞特性于最佳值,.先用650nm激光激發(fā)樣品,光強為552

11、6mW/cm2,再用405nm對樣品呈色,光強為30mW/cm2,漂白2呈色一次為一個循環(huán).633nm探測光強為1.8mW/cm2.圖5二芳基乙烯抗疲勞特性實驗結(jié)果Fig.5Experimentalresultsoffatigueresistance5期陳利菊,等:光致變色二芳基乙烯抗疲勞特性實驗研究11853結(jié)論通過一種簡單直觀方法,實驗研究了光致變色材料二芳基乙烯的抗疲勞特性.實驗首先測量了在漂白和呈色過程中,激發(fā)光的最佳曝光量,以確保樣品完全的漂白和呈色,并在此基礎(chǔ)上,測量了樣品的抗疲勞特性.實驗結(jié)果表明這種材料對紅光不敏感,而對紫光比較敏感,因而,利用這種材料進(jìn)行光存儲時,可以用紫光記

12、錄紅光讀出,來提高讀出圖像的次數(shù)和質(zhì)量.通過交替的漂白2呈色循環(huán)實驗,測量這種新型二芳基乙烯樣品的可擦寫次數(shù)為27次,其抗疲勞特性有待于進(jìn)一步的提高.參考文獻(xiàn)1LIZhen,CAIZhi2gang,CHENZhen2,al.ofphotoinducedmicrostructureActaPhotonicaS,(3)correctionusingconjugatedwavereconstructioninholographyofphotochromicmaterialJ.ActaPhotonicaSinica,2004,33(12):152921531.王英利,姚保利,陳懿,等.共軛讀出法消除光

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19、Li2ju1,2,YAOBao2li1,HANJun2he1,GAOPeng1,CHENYi3,WANGYing2li1,LEIMing1(1StateKeyLaboratoryofTransientOpticsandPhotonics,XianInstituteofOpticsandPrecisionMechanics,ChineseAcademyofSciences,Xian710119,China)(2GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)(3TechnicalInstituteofPhysicsandChemistry,ChineseAcademyofSciences,Beijing,China)Receiveddate:2008-01-07Abstract:Asimpleandintuitionisticmethodwasresistanceofphotochromicdiarylethene/PMMAfilm.Thebymeasuringthetransmissionofdiaryletheneinthebleachedandpfatigueresistancewasmeasur