Jump to content

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.

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 ]

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 ]

Легированный полупроводник: уровни Ферми закреплены в положении легирующей примеси в запрещенной зоне.

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

Легированный полупроводник: уровень Ферми E f и квазиуровни Ферми при освещении

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 ]
Химическая структура ПВХ

В целом фоторефрактивные материалы можно разделить на следующие категории, граница между категориями в каждом случае может быть нерезкой.

Электронные состояния композита на основе ПАТПД (а) и ПВК (б) с DBDC и 7-DCST в качестве хромофоров и C60 в качестве сенсибилизатора

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 ]
Запись голографического изображения

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 ]

  1. ^ 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 .
  2. ^ 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 .
  3. ^ 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 .
  4. ^ Берланд, Дональд (январь 1994 г.). «Оптические нелинейности в химии: Введение». хим. Преподобный . 94 (1): 1–2. дои : 10.1021/cr00025a600 .
  5. ^ 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 .
  6. ^ Джоши, Невада (1990). Фотопроводимость: искусство, наука и технологии . ЦРК Пресс. ISBN  978-0-8247-8321-1 .
  7. ^ Перейти обратно: а б Пашотта, Рюдигер. «Энциклопедия лазерной физики и техники» .
  8. ^ Пашотта, Рюдигер. «Энциклопедия лазерной физики и техники» .
  9. ^ 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.
  10. ^ 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 .
  11. ^ 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.
  12. ^ 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 .
  13. ^ 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 .
  14. ^ 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 .
  15. ^ 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 .
  16. ^ Тай, ЮАР; Бланш, Пенсильвания (2008). «Обновляемый голографический трехмерный дисплей». Природа . 451 (7179): 694–698. Бибкод : 2008Natur.451..694T . дои : 10.1038/nature06596 . ПМИД   18256667 .
  17. ^ 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 .
  18. ^ 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 .
  19. ^ 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 .
  20. ^ 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 .
  21. ^ 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 .
  22. ^ 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 .
  23. ^ 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 .
  24. ^ 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 .
  25. ^ 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 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 886a4daa8d3b8c45d12d873cd1dc03cf__1698227640
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/88/cf/886a4daa8d3b8c45d12d873cd1dc03cf.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Organic photorefractive materials - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)