Органические фоторефрактивные материалы
Органические фоторефрактивные материалы — это материалы, которые демонстрируют временное изменение показателя преломления под воздействием света. Изменение показателя преломления заставляет свет менять скорость по всему материалу и создавать светлые и темные области в кристалле. Накоплением можно управлять для создания голографических изображений для использования в биомедицинском сканировании и оптических вычислениях. Легкость изменения химического состава органических материалов делает фоторефрактивный эффект более управляемым.
История
[ редактировать ]Хотя физика фоторефрактивного эффекта была известна уже довольно давно, впервые этот эффект был обнаружен в 1967 году в LiNbO 3 . [ 1 ] Более тридцати лет эффект наблюдался и изучался исключительно в неорганических материалах, пока в 1990 г. не был получен нелинейный органический кристалл 2-(циклооктиламино)-5-нитропиридин (COANP), допированный 7,7,8,8-тетрацианохинодиметаном ( TCNQ). ) проявил фоторефрактивный эффект. [ 1 ] Несмотря на то, что электроника на основе неорганических материалов доминирует на современном рынке, органические PR-материалы с тех пор были значительно улучшены и в настоящее время считаются равной альтернативой неорганическим кристаллам. [ 2 ]
Теория
[ редактировать ]Есть два явления, которые в сочетании друг с другом создают фоторефракционный эффект. Это фотопроводимость , впервые обнаруженная в селене Уиллоуби Смитом в 1873 году. [ 3 ] и эффект Поккельса , названный в честь Фридриха Карла Алвина Поккельса, который изучал его в 1893 году. [ 4 ]
Фотопроводимость — это свойство материала, которое описывает способность падающего света соответствующей длины волны создавать носители электрического заряда. Уровень Ферми собственного полупроводника находится точно в середине запрещенной зоны . Плотность свободных электронов n в зоне проводимости и свободных дырок h в валентной зоне можно найти с помощью уравнений: [ 5 ]
и
где NC и N V — плотности состояний внизу зоны проводимости и верху валентной зоны соответственно, EC и EV — соответствующие энергии, EF — уровень Ферми , k B — постоянная Больцмана T — абсолютная температура. Добавление примесей в полупроводник или легирование приводит к образованию избыточных дырок или электронов, которые при достаточной плотности могут прикрепить уровень Ферми к положению примесей. [ 6 ]
Достаточно энергичный свет может настолько сильно возбудить носители заряда , что они заселят изначально пустые локализованные уровни. Тогда плотность свободных носителей в зоне проводимости и/или валентной зоне увеличится. Чтобы учесть эти изменения, стационарные уровни Ферми определяются для электронов как E Fn , а для дырок – как E Fp . Плотности n и h тогда равны
Локализованные состояния между E Fn и E Fp известны как «фотоактивные центры». Носители заряда остаются в этих состояниях длительное время, пока не рекомбинируют с противоположно заряженным носителем. Однако состояния вне энергии E Fn – E Fp релаксируют свои носители заряда в ближайшие расширенные состояния. [ 5 ]
Влияние падающего света на проводимость материала зависит от энергии света и материала. Материалы, легированные по-разному, могут иметь несколько разных типов фотоактивных центров, каждый из которых требует своей математической обработки. Однако не очень сложно показать связь между падающим светом и проводимостью в материале только с одним типом носителей заряда и одним типом фотоактивного центра. Темновая проводимость такого материала определяется выражением
где σ d — проводимость , e = заряд электрона, N D и N +
D - плотности полных фотоактивных центров и ионизированных пустых состояний акцептора электронов соответственно, β - коэффициент генерации тепловых фотоэлектронов, ц - константа подвижности и τ - время жизни фотоэлектрона. [ 5 ] Уравнение фотопроводимости заменяет β параметрами падающего света и имеет вид
где s — эффективное сечение генерации фотоэлектронов, h — постоянная Планка , ν — частота падающего света, а член I = I 0 e -аз где I 0 — падающая освещенность , z — координата по толщине кристалла, а α — коэффициент потери интенсивности света . [ 5 ]
Электрооптический эффект — это изменение оптических свойств данного материала под действием электрического поля. Существует множество различных явлений, все из которых относятся к подгруппе электрооптического эффекта, и эффект Поккельса является одним из таких явлений. По сути, эффект Поккельса — это изменение показателя преломления материала, вызванное приложенным электрическим полем. Показатель преломления материала — это коэффициент, на который фазовая скорость уменьшается по сравнению со скоростью света в вакууме. На микромасштабе такое уменьшение происходит из-за нарушения зарядов каждого атома после воздействия электромагнитного поля падающего света. Когда электроны движутся по энергетическим уровням, некоторая энергия высвобождается в виде электромагнитной волны той же частоты, но с фазовой задержкой. Видимый свет в среде представляет собой суперпозицию всех волн, испускаемых таким образом, поэтому результирующая световая волна имеет более короткую длину волны, но ту же частоту, а фазовая скорость световой волны замедляется. [ 7 ]
Будет ли материал проявлять эффект Поккельса, зависит от его симметрии. Как центросимметричные , так и нецентросимметричные среды будут демонстрировать эффект, аналогичный эффекту Поккельса, эффект Керра . Изменение показателя преломления будет пропорционально квадрату напряженности электрического поля и поэтому будет намного слабее, чем эффект Поккельса. Только нецентросимметричные материалы могут проявлять эффект Поккельса: например, танталит лития (тригональный кристалл) или арсенид галлия ( кристалл цинковой обманки ); а также полюсные полимеры со специально разработанными органическими молекулами. [ 8 ]
Эффект Поккельса можно описать математически, сначала введя индексный эллипсоид - концепцию, связывающую ориентацию и относительную величину показателей преломления материала. Эллипсоид определяется формулой
где ε i — относительная диэлектрическая проницаемость вдоль оси x , y или z , а R — приведенный вектор смещения, определяемый как D i / √ 8 πW, где D i — вектор электрического смещения, а W — энергия поля. Электрическое поле вызовет деформацию R i согласно:
где E — приложенное электрическое поле, а r ij — коэффициент, зависящий от симметрии кристалла и ориентации системы координат относительно осей кристалла. Некоторые из этих коэффициентов обычно будут равны нулю. [ 7 ]
Органические фоторефрактивные материалы
[ редактировать ]В целом фоторефрактивные материалы можно разделить на следующие категории, граница между категориями в каждом случае может быть нерезкой.
- Неорганический кристалл и сложный полупроводник
- Множественные структуры с квантовыми ямами
- Органические кристаллические материалы
- Полимерно-дисперсные жидкокристаллические материалы (ПДЖК)
- Органические аморфные материалы
В области этих исследований первоначальные исследования в основном проводились с неорганическими полупроводниками . об огромном разнообразии неорганических кристаллов, таких как BaTiO 3 , KNbO 3 , LiNbO 3 , а также неорганических соединений-полупроводников, таких как GaAs , InP , CdTe . В литературе сообщается [ 9 ] Впервые фоторефрактивный (PR) эффект в органических материалах был зарегистрирован в 1991 году, а затем в последние годы исследования органических фоторефрактивных материалов привлекли большое внимание по сравнению с неорганическими PR-полупроводниками. Это связано главным образом с экономической эффективностью, относительно простой процедурой синтеза и настраиваемыми свойствами за счет химических или композиционных изменений.
Полимерные или полимерные композиционные материалы продемонстрировали отличные фоторефрактивные свойства со 100% дифракционной эффективностью. Совсем недавно аморфные композиты с низкой температурой стеклования стали высокоэффективными PR-материалами. Эти два класса органических PR-материалов также в основном изучаются. Эти композиционные материалы состоят из четырех компонентов: проводящих материалов, сенсибилизатора , хромофора и других примесных молекул, которые обсуждаются с точки зрения PR-эффекта. Согласно литературе, стратегия проектирования дырочных проводников в основном основана на p-типе. [ 10 ] а проблемы сенсибилизации акцентируются на материалах, принимающих электроны n-типа, которые обычно имеют очень низкое содержание в смесях и, таким образом, не обеспечивают дополнительный путь для электронной проводимости. В недавних публикациях по органическим PR-материалам обычно включают полимерный материал с единицами переноса заряда в его основную или боковую цепь. Таким образом, полимер также служит основной матрицей для придания полученному композиционному материалу достаточной вязкости для целей обработки. Большинство композитов «гость-хозяин», продемонстрированных до сих пор в литературе, основаны на полимерных материалах с дырочной проводимостью.
Подавляющее большинство полимеров основано на карбазолсодержащих полимерах, таких как поли-(N-винилкарбазол) (ПВК) и полисилоксаны (ПСХ). PVK — это хорошо изученная система для широкого спектра применений. [ 11 ] В полимерах заряд переносится через ВЗМО , и на подвижность влияет природа примеси , смешанной с полимером, а также количество присадки, которая может превышать 50 массовых процентов композита для материалов «гость-хозяин» . [ 12 ] переноса заряда Подвижность уменьшается с уменьшением концентрации фрагментов , а полярность и концентрация примеси увеличиваются. [ 13 ]
Помимо подвижности, важное значение имеет и потенциал ионизации полимера и соответствующей примеси. Относительное положение полимерной ВЗМО относительно потенциала ионизации других компонентов смесей определяет степень ловушек внешних дырок в материале. [ 14 ] ТПД ( тетрафенилдиаминофенила Известно, что материалы на основе ) обладают более высокой подвижностью носителей заряда и более низкими потенциалами ионизации по сравнению с материалами на основе карбазола (ПВК). Низкие потенциалы ионизации материалов на основе ТПД значительно повышают фотопроводимость материалов. Частично это связано с усиленным комплексообразованием дырочного проводника, являющегося донором электронов , с сенсибилизирующими агентами, являющимися акцептором электронов . Сообщалось о резком увеличении эффективности фотогенерации с 0,3% до 100% за счет снижения потенциала ионизации с 5,90 эВ (PVK) до 5,39 эВ (производное TPD PATPD). [ 15 ] Схематически это поясняется на схеме с использованием электронных состояний ПВК и ПАТПД.
Приложения
[ редактировать ]По состоянию на 2011 год коммерческих продуктов, использующих органические фоторефрактивные материалы, не существует. [ 2 ] Все описанные применения являются умозрительными или выполняются в исследовательских лабораториях. Большие поля постоянного тока, необходимые для создания голограмм, приводят к пробою диэлектрика, который не подходит для использования за пределами лаборатории.
Многоразовые голографические дисплеи
[ редактировать ]множество материалов Существует для записи статических, постоянных голограмм, включая фотополимеры , пленки галогенида серебра , фоторезисты , дихроматированный желатин и фоторефрактивы. Материалы различаются по максимальной дифракционной эффективности, требуемой потребляемой мощности и разрешению. Фоторефрактивы обладают высокой дифракционной эффективностью, средненизким энергопотреблением и высоким разрешением.
Обновляемые голограммы , не требующие очков, привлекательны для медицинской и военной визуализации. Свойства материалов, необходимые для создания обновляемых голограмм, включают 100% дифракционную эффективность, быстрое время записи, длительное сохранение изображения, быстрое время стирания и большую площадь. [ 16 ] Неорганические материалы, способные к быстрому обновлению, существуют, но их трудно вырастить больше кубического сантиметра. Жидкокристаллические 3D-дисплеи существуют, но требуют сложных вычислений для создания изображений, что ограничивает их частоту обновления и размер.
Бланш и др. продемонстрировала в 2008 году дисплей размером 4 x 4 дюйма, который обновлялся каждые несколько минут и работал несколько часов. [ 17 ] Органические фоторефрактивные материалы способны поддерживать частоту обновления кГц, хотя она ограничена чувствительностью материала и мощностью лазера. Чувствительность материала, продемонстрированная в 2010 году, требует импульсных лазеров кВт. [ 18 ]
Настраиваемый цветовой фильтр
[ редактировать ]Белый свет, проходящий через органическую фоторефрактивную дифракционную решетку , приводит к поглощению длин волн, генерируемых поверхностным плазмонным резонансом , и отражению дополнительных длин волн . Период дифракционной решетки можно регулировать путем изменения длины волны отраженного света. Это можно использовать для каналов фильтров, оптических аттенюаторов и оптических цветных фильтров. [ 19 ]
Оптическая связь
[ редактировать ]Оптическая связь в свободном пространстве (FSO) может использоваться для широкополосной передачи данных с использованием высокочастотных лазеров. Фазовые искажения, создаваемые атмосферой, можно исправить с помощью процесса четырехволнового смешения с использованием органических фоторефрактивных голограмм. [ 20 ] Характер FSO позволяет передавать изображения в режиме реального времени с качеством, близким к исходному. [ 21 ] Коррекция также корректирует движущиеся изображения. [ 21 ]
Обработка изображений и сигналов
[ редактировать ]Органические фоторефрактивные материалы представляют собой нелинейную среду, в которой можно записывать и считывать большие объемы информации. [ 22 ] Голограммы благодаря свойственной параллельной природе оптической записи способны быстро обрабатывать большие объемы данных. Голограммы, которые можно быстро создать и прочитать, можно использовать для проверки подлинности документов, подобно водяному знаку. [ 22 ] В органических фоторефрактивных корреляторах используется согласованный фильтр. [ 23 ] и совместное преобразование Фурье [ 24 ] конфигурации.
Логические функции ( И , ИЛИ , ИЛИ , исключающее ИЛИ , НЕ ) выполнялись с использованием двухволновой обработки сигналов. [ 25 ] Высокая эффективность дифракции позволила ПЗС-детектору различать светлые пиксели (1 бит ) и темные пиксели (0 бит). [ 25 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Мёрнер, МЫ; Тишина, Скотт М. (1994). «Полимерные фоторефрактивные материалы». Химические обзоры . 94 (1): 127–155. дои : 10.1021/cr00025a005 . ISSN 0009-2665 .
- ^ Перейти обратно: а б Кёбер, С.; Сальвадор, М.; Меерхольц, К. (2011). «Органические фоторефрактивные материалы и их применение». Продвинутые материалы . 23 (41): 4725–4763. дои : 10.1002/adma.201100436 .
- ^ Смит, Уиллоби (20 февраля 1873 г.). «Влияние света на селен при прохождении электрического тока» . Природа . 7 (173): 303. Бибкод : 1873Natur...7R.303. . дои : 10.1038/007303e0 .
- ^ Берланд, Дональд (январь 1994 г.). «Оптические нелинейности в химии: Введение». хим. Преподобный . 94 (1): 1–2. дои : 10.1021/cr00025a600 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Фрейлих, Хайме (2007). Фоторефрактивные материалы: фундаментальные понятия, голографическая запись и характеристика материалов . ВИЛИ-ИНТЕРСАЙНС. ISBN 978-0-471-74866-3 .
- ^ Джоши, Невада (1990). Фотопроводимость: искусство, наука и технологии . ЦРК Пресс. ISBN 978-0-8247-8321-1 .
- ^ Перейти обратно: а б Пашотта, Рюдигер. «Энциклопедия лазерной физики и техники» .
- ^ Пашотта, Рюдигер. «Энциклопедия лазерной физики и техники» .
- ^ К. Бузе, Дж. Имброк, Э. Кретциг, К. Пейтманн, в книге «Фоторефрактивные материалы и их применение II: Материалы» (ред.: П. Гюнтер, Дж. П. Хьюгнар), Springer Series In Optical Science, Vol. 114, Шпрингер, Берлин, 2006 г., 83–121.
- ^ Меерхольц, К.; Володин Б.Л.; Киппелен, Б.; Пейгамбарян, Н. (1994). «Фоторефрактивный полимер с высоким оптическим усилением и дифракционной эффективностью около 100%». Природа . 371 (6497). Springer Science and Business Media LLC: 497–500. Бибкод : 1994Natur.371..497M . дои : 10.1038/371497a0 . ISSN 0028-0836 .
- ^ М.Б. Кляйн, в книге «Фоторефрактивные материалы и их применение II: Материалы» (ред.: П. Гюнтер, Дж. П. Хьюгнар), Springer Series In Optical Science, Vol. 114, Шпрингер, Берлин, 2006 г., 241–284.
- ^ Ангиули, Марко; Чиарделли, Франческо; Коллиджиани, Артуро; Греко, Франческо; Романо, Анналиса; Руджери, Джакомо; Томбари, Эльпидио (20 октября 2006 г.). «Фоторефрактивность материалов на основе поли-N-винилиндола по сравнению с фоторефрактивностью смесей на основе поли-N-винилкарбазола». Прикладная оптика . 45 (30). Оптическое общество: 7928–7937. Бибкод : 2006ApOpt..45.7928A . дои : 10.1364/ao.45.007928 . ISSN 0003-6935 . PMID 17068530 .
- ^ Херлокер, Дж.А.; Фуэнтес-Эрнандес, К.; Феррио, КБ; Хендрикс, Э.; Бланш, Пенсильвания; и др. (09.10.2000). «Стабилизация времени отклика в фоторефрактивных полимерах». Письма по прикладной физике . 77 (15). Издательство АИП: 2292–2294. Бибкод : 2000ApPhL..77.2292H . дои : 10.1063/1.1316077 . ISSN 0003-6951 . S2CID 120935834 .
- ^ Томас, Дж.; Фуэнтес-Эрнандес, К.; Ямамото, М.; Каммак, К.; Мацумото, К.; и др. (18 ноября 2004 г.). «Композиты на основе полимеров бистриариламина для фоторефрактивных применений». Продвинутые материалы . 16 (22). Уайли: 2032–2036 гг. дои : 10.1002/adma.200400102 . ISSN 0935-9648 .
- ^ Хендрикс, Э.; Киппелен, Б.; Таюманаван, С.; Мардер, СР; Персонс, А.; Пейгамбарян, Н. (2000). «Высокая эффективность фотогенерации комплексов с переносом заряда, образующихся между ариламинами с низким потенциалом ионизации и C 60 ». Журнал химической физики . 112 (21). Издательство АИП: 9557–9561. Бибкод : 2000JChPh.112.9557H . дои : 10.1063/1.481572 . ISSN 0021-9606 .
- ^ Тай, ЮАР; Бланш, Пенсильвания (2008). «Обновляемый голографический трехмерный дисплей». Природа . 451 (7179): 694–698. Бибкод : 2008Natur.451..694T . дои : 10.1038/nature06596 . ПМИД 18256667 .
- ^ Бланш, Пенсильвания; Тай, С. (2008). «Обновляемый голографический трехмерный дисплей для 3D-визуализации». Журнал дисплейных технологий . 4 (4): 424–430. Бибкод : 2008JDisT...4..424B . дои : 10.1109/jdt.2008.2001574 .
- ^ Бланш, Пенсильвания; Баблумян, А. (2010). Бьелхаген, Ганс И.; Костюк, Раймонд К. (ред.). «Будущее голографических 3D-дисплеев на основе фоторефракции». Учеб. ШПИОН . Практическая голография XXIV: Материалы и приложения. 7619 : 7619. Бибкод : 2010SPIE.7619E..0LB . дои : 10.1117/12.841442 .
- ^ О, Дж.; Чой, Дж. (2009). «Перестраиваемый цветной фильтр с поверхностным плазмонным резонансом на основе органического фоторефрактивного композита». Прикладная оптика . 48 (17): 3160–4. Бибкод : 2009ApOpt..48.3160O . дои : 10.1364/ao.48.003160 . ПМИД 19516354 .
- ^ Ли, Г.; Эральп, М. (2005). «Полнооптическая динамическая коррекция искаженных сигналов связи с использованием фоторефрактивной полимерной голограммы». Прил. Физ. Летт. 86 (16): 161103. Бибкод : 2005ApPhL..86p1103L . дои : 10.1063/1.1898432 .
- ^ Перейти обратно: а б Виниарц, Джеффри Г.; Гебремайкл, Ф.; Томас, Джаян; Мередит, Джеральд; Пейгамбарян, Насер (31 мая 2004 г.). «Динамическая коррекция искаженного изображения с помощью фоторефрактивного полимерного композита» . Оптика Экспресс . 12 (11). Оптическое общество: 2517–2528. Бибкод : 2004OExpr..12.2517W . дои : 10.1364/opex.12.002517 . ISSN 1094-4087 .
- ^ Перейти обратно: а б Володин Б.Л.; Киппелен, Б. (1996). «Полимерная оптическая система распознавания образов для проверки безопасности». Природа . 383 (6595): 58–60. Бибкод : 1996Natur.383...58V . дои : 10.1038/383058a0 .
- ^ Володин Б.Л.; Халворсон, К.; Краабель, Б.; Меерхольц, К.; Хигер, Эй Джей; Пейгамбарян, Н. (1 января 1995 г.). «Оптические вычисления с использованием фоторефрактивных полимеров». Оптические письма . 20 (1). Оптическое общество: 76–78. Бибкод : 1995OptL...20...76H . дои : 10.1364/ол.20.000076 . ISSN 0146-9592 .
- ^ Банерджи, Парта П.; Гад, Эсам; Хадсон, Трейси; Макмиллен, Дина; Абдельдайем, Хоссин; Фрейзер, Дональд; Мацусита, Кендзи (10 октября 2000 г.). «Усиление краев и усиленная корреляция краев с фоторефрактивными полимерами». Прикладная оптика . 39 (29). Оптическое общество: 5337–46. Бибкод : 2000ApOpt..39.5337B . дои : 10.1364/ao.39.005337 . ISSN 0003-6935 . ПМИД 18354530 .
- ^ Перейти обратно: а б Исикава, Дайсуке; Окамото, Ацуши; Хонма, Сатоши; Ито, Терумаса; Симаябу, Кохей; Сато, Кунихиро (2007). «Полностью оптические многофункциональные логические вентили для информации об изображении с использованием фоторефрактивного двухволнового смешения». Оптический обзор . 14 (4). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 246–251. Бибкод : 2007OptRv..14..246I . дои : 10.1007/s10043-007-0246-3 . ISSN 1340-6000 .