光致变色二芳基乙烯抗疲劳特性实验研究

1、第38卷第5期光子学报2009年5月Vol.38No.5May2009光致变色二芳基乙烯抗疲劳特性实验研究陈利菊1,2,姚保利1, ,韩俊鹤1,郜鹏1,陈懿3,王英利1,雷铭1(1中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室,西安710119)(2中国科学院研究生院,北京100049)(3中国科学院物理化学技术研究所,北京100080)3摘要:提出了一种简单直观的方法研究光致变色材料二芳基乙烯/PMMA.通过测量样品在漂白和呈色过程中探测光的透过率,在此基础上测量样品的抗疲劳特性.结果显示:,为1900J/cm2和600mJ/cm2,.2呈色过程中,通过交替的漂白2呈色循环

2、,27关键词:光致变色;:A文章编号:100424213(2009)0521182250引言在可擦写光存储材料的研究中,有机光致变色材料引起了人们的极大关注125.已有研究将其应用于光存储,光开关及光信息显示等信息处理系统中.然而,有机光致变色材料应用于实际的光信息处理系统,材料的热稳定性和抗疲劳特性是两个最重要的因素.因此,具有良好热稳定性的光致变色材料二芳基乙烯成为新的研究热点628,研究二芳基乙烯的抗疲劳特性尤为重要.材料的抗疲劳性是材料存储信息可重复擦写的能力.光存储材料疲劳的主要原因是在无色2呈色两态光致变色反应的循环过程中,存在着副反应,有新的分子结构形成,变为呈色(无色)态的分子

3、数就会减少,这就限制了光致变色反应的循环次数.在有关的文献中9213,都是通过测量光致变色循环过程中呈色(无色)态吸收谱的变化,对材料的抗疲劳特性进行研究.文献9中给出了具体的实验方法:用两束光交替激发样品溶液,每经过100次循环后,测量呈色(无色)态的吸收谱,定义当呈色(无色)态的光密度降低到第一次循环的80%或50%时,样品已经疲劳,从而可以得到样品的可擦写次数.本文在进行二芳基乙烯光信息存储的研究中,提出了一种更加简单直观方法来测量其抗疲劳特性.由光度学的理论可知,光在二芳基乙烯/PMMA膜中传播时,满足Lambert2Beer定理,光透过率与二芳基乙烯的呈色3(无色)态的分子数呈指数形

4、式变化,因此可以通过测量二芳基乙烯在漂白和呈色循环过程中探测光透过率的变化,分析样品的抗疲劳特性.定义当两态透过率差下降为第一次循环的50%时,样品已经疲劳,由透过率的变化就可以得到样品的可擦写次数.与其他方法相比,本文提出的方法更加的简单直观:实验中只需两束激发光交替擦写,在功率计显示屏上实时监测循环过程中探测光透过率的变化,就可以得到样品的可擦写次数.1材料及方法实验材料为中科院物理化学技术研究所制备的二芳基乙烯/PMMA膜样品,在显微镜下测量厚度约5m,二芳基乙烯/PMMA薄膜在紫外光照射下发生闭环反应生成呈色态,显蓝绿色.呈色态在He2Ne激光或650nm半导体激光照射下发生开环反应再

5、返回无色态.在日本岛津UV23101PC型紫外2可见2红外分光光度计上测量了二芳基乙烯/国家自然科学基金(60337020,60678023)资助Telmail:yaobl收稿日期:2008-01-07图1二芳基乙烯/PMMA膜吸收谱Fig.1Theabsorptionspectraofdiarylethene/PMMAfilm5期陈利菊,等:光致变色二芳基乙烯抗疲劳特性实验研究1183PMMA薄膜呈色态的吸收光谱,呈色态的吸收峰在622nm,光密度值为1.2,无色态吸收峰在386nm,光密度值为2.03.实验光路如图2.650nm半导体激光器输出功率较大,因此作为

6、漂白光源,在其激发下,样品分子中发生开环反应,由呈色态向无色态转化,称为漂白过程.405nm半导体激光器在无色态吸收峰附近,作为呈色光源,在其激发下,样品分子中发生闭环反应,由无色态向呈色态转化,称为呈色过程.633nmHe2Ne激光器作为探测光源,探测在漂白和呈色过程中透过率的变化.ND1,ND2为连续衰减片.S1、S2为快门用来控制曝光时间.S为二芳基乙烯/PMMA膜样品.L为透镜,650nm激光光斑经L径约为1.2mm.D为探测器,Labmaster图3beamversustimeanddifferentexcitationintensitiesinprocess验之前,光量,.探测光的

7、透过率随时间变化趋势相同:透过率不断上升,最终达到饱和值.图3(b)给出了探测光透过率随激发光曝光量的变化曲线.可以看出,在漂白过程中,二芳基乙烯样品探测光透过率为曝光量依赖性,即使激发光强不同,只要曝光量相同,样品的透过率最终会达到相同的值.定义最佳曝光量为探测光透过率达到最大透过率90%时所对应的曝光量,实验测得该样品的最佳曝光量为1900J/cm2左右,表明该样品对650nm的红光不敏感.2.2二芳基乙烯紫光呈色光致变色实验结果及分析图2抗疲劳特性实验装置Fig.2Experimentalsetupoffatigueresistance2结果与分析2.1二芳基乙烯红光漂白光致变色特性实验

8、结果先用650nm红光漂白样品,曝光量达到最佳值以后,样品完全漂白,关闭红光.将633nm探测光和405nm呈色光同时照射在样品上,探测光光强保持不变,为1.8mW/cm2.呈色过程光致变色实验结果如图4.在不同的紫光激发下,探测光透过率随时间的变化如图4(a),可以看出,探测光的透过率变化趋势相同:随时间不断减小,最终达到饱和值;图4(b)给出了探测光透过率随紫光曝光量的关系.在呈色过程中,该样品探测光透过率仍然为曝光量依赖性,紫光的最佳曝光量为600mJ/cm2,表明该样品对紫光比较敏感.及分析将650nm漂白光和633nm探测光同时照射在样品上,研究漂白过程中的光致变色特性,实验结果如图

9、3.在不同的激发光强下,探测光透过率随时间的变化如图3(a).可以看出,不同的激发光强下1184光子学报38卷快门S1,S2交替的擦写,探测光的透过率在两束光的交替作用下不断发生转换.通过Labmaster功率计显示屏,可以直观地看出探测光透过率的变化,实验结果如图5.图5(a)给出了633nm透过率在循环过程中随时间变化曲线的原始图,可以看出,随着循环次数的增加,漂白和呈色过程中探测光透过率越来越接近.图5(b)表示放大的循环过程:打开漂白激光400s后,探测光透过率达到稳定值,漂白过程结束,关闭漂白激光;78s后,图4呈色过程中,不同激发光强时探测光透过率随时间和曝光量的变化曲线Fig.4

10、Transmissionofprobebeamversustimeandexposureunderdifferentexcitationintensitiescoloredprocess,关闭呈色.5(a)可以直观的看出交,%27次.也可用归一化的透过率差随循环次数的变化关系来分析样品的抗疲劳特性,如图5(c),图中采用数值外延法对实验结果进行了延伸.可以看出,随着循环次数的增加,两态透过率差值不断减小,经过27次循环后,透过率差值降为第一次循环的50%,因此该样品的可擦写次数为27次,抗疲劳特性有待于进一步的提高.2.3根据2.,抗疲劳特性于最佳值,.先用650nm激光激发样品,光强为552

11、6mW/cm2,再用405nm对样品呈色,光强为30mW/cm2,漂白2呈色一次为一个循环.633nm探测光强为1.8mW/cm2.图5二芳基乙烯抗疲劳特性实验结果Fig.5Experimentalresultsoffatigueresistance5期陈利菊,等:光致变色二芳基乙烯抗疲劳特性实验研究11853结论通过一种简单直观方法,实验研究了光致变色材料二芳基乙烯的抗疲劳特性.实验首先测量了在漂白和呈色过程中,激发光的最佳曝光量,以确保样品完全的漂白和呈色,并在此基础上,测量了样品的抗疲劳特性.实验结果表明这种材料对红光不敏感,而对紫光比较敏感,因而,利用这种材料进行光存储时,可以用紫光记

12、录红光读出,来提高读出图像的次数和质量.通过交替的漂白2呈色循环实验,测量这种新型二芳基乙烯样品的可擦写次数为27次,其抗疲劳特性有待于进一步的提高.参考文献1LIZhen,CAIZhi2gang,CHENZhen2,al.ofphotoinducedmicrostructureActaPhotonicaS,(3)correctionusingconjugatedwavereconstructioninholographyofphotochromicmaterialJ.ActaPhotonicaSinica,2004,33(12):152921531.王英利,姚保利,陈懿,等.共轭读出法消除光

13、致变色材料全息记录中的相位畸变J.光子学报,2004,33(12):152921531.6TSUYOSHIT,HAYATOK.OrganicbistablemolecularmemoryusingphotochromicdiaryletheneJ.ApplPhysLett,2003,83(5):9372939.7STEFANOC,STEVEL,CHRISTIANB.Photoinducedreversibleopticalgratingsindiarylethene2dopedpolymericthinfilmsJ.JOptSocB,2002,19(9):203222038.8LIGPUdyn

14、amicsofandinPMMAamorphousS,5966:59661.DiarylethenesformemoriesandswitchesJ.ChemRev,2000,100:168521716.10LIUGuo2dong,WANGJian2min,LUOShou2jun.Studyofdiaryletheneforre2writablevolumeholographicdatastorageJ.OpticalTechnique,2005,31(5):7172719.李真,等究J.,36(3:4162420.2MENKEN,Bao2li,WANGYing2li,etal.Hologra

15、phicrecordingcharacteristicsofarewritableFulgide/PMMAFilmJ.ActaPhotonicaSinica,2003,32(7):8192822.刘国栋,王建敏,骆守俊.二芳烯材料在重复擦写体全息存储中的应用研究J.光学技术,2005,31(5):7172719.11YULian2he,MINGYang2fu,FANMei2gong,etal.SynthesisandapplicationsofphotochromicfulgidesinopticalstorageJ.ScienceinChina(SeriesB),1995,25(8):799

16、2803.门克内木乐,姚保利,王英利,等.可擦写俘精酸酐/PMMA薄膜的全息记录特性研究J.光子学报,2003,32(7):8192822.3LIUShao2jin,ZHANGJun2rui,LINGZhi2hua.Azo2dyedopantphoto2inducedaligninglayerforliquidcrystalcellsJ.ActaPhotonicaSinica,2006,35(12):195021953.于联合,明阳福,樊美公.俘精酸酐的合成及其在光存储中的应用J中国科学B辑,1995,25(8):7992803.12TORKA,BOUDREAULTF,ROBERGEM.Pho

17、tochromicbehaviorofspiropyraninpolymermatricesJ.ApplOpt,2001,40(8):118021186.13SALEHA.Photochromismofdihydroindolizines.PartIII1SynthesisandphotochromicbehaviorofnovelphotochromicdihydroindolizinesincorporatingacholesterylmoietyJ.MonatsheftefurChemie,2004,135:117321188.刘绍锦,张俊瑞,凌志华.用于液晶取向的掺偶氮类染料的光诱导取

18、向膜J.光子学报,2006,35(12):195021953.4HUANGYH,WUST,ZHAOYY,Photonicswitchingbasedonthephotoinducedbirefringenceinbacteriorhodopsinfilms.J.ApplPhysLett,2004,84(12):202822030.5WANGYing2li,YAOBao2li,CHENYi,etal.Phaseaberration1186光子学报38卷ExperimentalMeasurementofFatigueResistanceofaPhotochromicDiaryletheneCHEN

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