Органические фоторефрактивные материалы - Википедия - Organic photorefractive materials

Органические фоторефрактивные материалы материалы, которые демонстрируют временное изменение показатель преломления при воздействии света. Изменяющийся показатель преломления заставляет свет изменять скорость по всему материалу и создавать светлые и темные области в кристалле. Накоплением можно управлять для получения голографических изображений для использования в биомедицинском сканировании и оптических вычислениях. Легкость изменения химического состава органических материалов делает фоторефрактивный эффект более контролируемым.

История

Хотя физика, лежащая в основе фоторефрактивный эффект были известны довольно давно, эффект впервые наблюдался в 1967 г. LiNbO3.[1] Более тридцати лет эффект наблюдался и изучался исключительно в неорганических материалах, до 1990 года, когда 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 текущем рынке, с тех пор органические PR-материалы были значительно улучшены и в настоящее время считаются равноценной альтернативой неорганическим кристаллам.[2]

Теория

Есть два явления, которые в сочетании друг с другом создают фоторефрактивный эффект. Это фотопроводимость, впервые обнаруженный в селене Уиллоуби Смит в 1873 г.,[3] и Эффект Поккельса, названный в честь Фридрих Карл Алвин Покелс который изучал его в 1893 году.[4]

Фотопроводимость - это свойство материала, которое описывает способность падающего света адекватной длины волны производить носители электрического заряда. В Уровень Ферми из собственный полупроводник находится ровно посередине запрещенная зона. В плотности свободных электронов п в зона проводимости и свободные отверстия час в валентная полоса можно найти с помощью уравнений:[5]

и

где NC и нV являются плотности состояний в нижней части зоны проводимости и в верхней части валентной зоны соответственно EC и EV - соответствующие энергии, EF это Уровень Ферми, kB является Постоянная Больцмана T - абсолютная температура. Добавление примесей в полупроводник, или допинг производит избыток дыры или электроны, которые при достаточной плотности могут закрепить уровень Ферми к положению примесей.[6]

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

Достаточно яркий свет может возбудить носители заряда настолько, что они будут заполнять изначально пустые локализованные уровни. Тогда плотность свободных носителей в зоне проводимости и / или валентной зоне увеличится. Чтобы учесть эти изменения, стационарные уровни Ферми для электронов определены как EFn а для отверстий - EFp. Плотности n и h равны, тогда равны

Легированный полупроводник: Уровень Ферми Eж и квазиуровни Ферми при освещении

Локализованные состояния между EFn и EFp известны как «фотоактивные центры». Носители заряда остаются в этих состояниях долгое время, пока не рекомбинируют с противоположно заряженным носителем. Состояния вне EFn - EFp энергия, однако, релаксирует их носители заряда в ближайшие протяженные состояния.[5]

Влияние падающего света на проводимость материала зависит от энергии света и материала. Материалы с разным легированием могут иметь несколько разных типов фотоактивных центров, каждый из которых требует разной математической обработки. Однако нетрудно показать взаимосвязь 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 σd это проводимость, e = заряд электрона, НD и н+
D - плотности полных фотоактивных центров и ионизированных пустых состояний акцептора электронов соответственно, β - коэффициент тепловой генерации фотоэлектронов, μ - постоянная подвижности τ - время жизни фотоэлектрона.[5] Уравнение для фотопроводимости заменяет параметры падающего света на β и имеет вид

где s - эффективное сечение генерации фотоэлектронов, h - Постоянная Планка, ν - частота падающего света, а член I = I0е−αz в котором я0 это падающая освещенность, z - координата по толщине кристалла, α - коэффициент потери силы света.[5]

В электрооптический эффект представляет собой 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 них. По сути, эффект Поккельса - это изменение показателя преломления материала под действием приложенного электрического поля. показатель преломления материала является фактором, по которому фазовая скорость уменьшается относительно скорости света в вакууме. В микромасштабе такое уменьшение происходит из-за нарушения зарядов каждого атома после воздействия электромагнитного поля падающего света. Когда электроны движутся по энергетическим уровням, некоторая энергия выделяется в виде электромагнитной волны той же частоты, но с фазовой задержкой. Видимый свет в среде представляет собой суперпозицию всех волн, выпущенных таким образом, и 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 или нет, зависит от его симметрии. Обе центросимметричный и нецентросимметричные среды будут демонстрировать эффект, аналогичный эффекту Поккельса, Эффект Керра. Изменение показателя преломления будет пропорционально квадрату напряженности электрического поля и, следовательно, 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 эллипсоид показателя преломления - концепцию, связывающую ориентацию и относительную величину показателей преломления материала. Эллипсоид определяется как

в котором εя - относительная диэлектрическая проницаемость вдоль Икс, у, или же z ось, и р - приведенный вектор смещения, определяемый как Dя/√8πW в котором Dя - вектор электрического смещения и W - энергия поля. Электрическое поле вызовет деформацию в ря согласно:

в котором E - приложенное электрическое поле, а rij - коэффициент, зависящий от симметрия кристалла и ориентация системы координат относительно осей кристалла. Некоторые из этих коэффициентов обычно равны нулю.[7]

Органические фоторефрактивные материалы

Химическая структура ПВК

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

Электронные состояния композита на основе PATPD (a) и PVK (b) с DBDC и 7-DCST в качестве хромофоров и C60 в качестве сенсибилизатора

В области этого исследования первоначальные исследования в основном проводились с неорганическими полупроводники. Было огромное количество разновидностей неорганических кристаллов, таких как BaTiO3, КНБО3, LiNbO3 и полупроводники на основе неорганических соединений, такие как GaAs, InP, CdTe сообщается в литературе.[9]Впервые фоторефрактивный (PR) эффект в органических материалах был зарегистрирован в 1991 году, а затем исследования органических фоторефрактивных материалов привлекли большое внимание в последние годы по сравнению с неорганическими PR-полупроводниками. Это связано, главным образом, с экономической эффективностью, относительно простой процедурой синтеза и настраиваемыми свойствами за счет модификации химических или композиционных изменений.

Полимер или полимер композитные материалы показали отличные фоторефрактивные свойства при 100% дифракционной эффективности. Совсем недавно, аморфный композиты низкого температура стеклования превратились в высокоэффективные PR-материалы. Эти два класса органических PR-материалов также являются наиболее исследуемой областью. Эти композитные материалы состоят из четырех компонентов: проводящих материалов, сенсибилизатор, хромофор, и другие присадка молекулы, которые будут обсуждаться с точки зрения PR-эффекта. Согласно литературным данным, стратегия проектирования дырочных проводников в основном основана на р-типе. [10] и вопросы сенсибилизации акцентируются на электронно-акцепторных материалах 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 включать полимерный материал с единицами переноса заряда в его основную или боковую цепь. Таким образом, полимер также служит в качестве матрицы-хозяина, чтобы обеспечить полученный композитный материал с вязкостью, достаточной для обработки. Большинство композитов "гость-хозяин", продемонстрированных в литературе до сих пор, основаны на полимерных материалах с дырочными проводниками.

Подавляющее большинство полимеров основано на карбазол содержащие полимеры, подобные поли- (N-винилкарбазол) (ПВК) и полисилоксаны (PSX). PVK - хорошо изученная система для огромного разнообразия приложений.[11]В полимерах заряд переносится через HOMO и мобильность зависит от природы присадка смешанного с полимером, это также зависит от количества присадки, которое может превышать 50 весовых процентов композита для гостевые материалы.[12]Подвижность уменьшается по мере того, как концентрация переноса заряда части уменьшается, а полярность и концентрация допанта увеличиваются.[13]

Помимо мобильности, потенциал ионизации полимера и соответствующей присадки также имеет большое значение. Относительное положение полимерного ВЗМО по отношению к потенциалу ионизации других компонентов смесей определяет степень захвата внешних дырок в материале.[14]TPD (тетрафенилдиаминофенил ) материалы на основе известны более высокой подвижности носителей заряда и более низкие потенциалы ионизации по сравнению с материалами на основе карбазола (ПВК). Низкие потенциалы ионизации материалов на основе TPD значительно увеличивают фотопроводимость материалов. Отчасти это связано с усилением комплексообразования дырочного проводника, который донор электронов, с сенсибилизирующими агентами, что является акцептор 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 (производная TPD PATPD).[15] Это схематично поясняется на диаграмме с использованием электронных состояний PVK и PATPD.

Приложения

По состоянию на 2011 год не существует коммерческих продуктов с использованием органических фоторефрактивных материалов.[2] Все описанные приложения являются предположительными или выполняются в исследовательских лабораториях. Большие поля постоянного тока, необходимые для создания голограмм, приводят к пробой диэлектрика не подходит вне лаборатории.

Многоразовые голографические дисплеи

Запись голографического изображения

Много материалы существуют для записи статических, постоянных голограмм, включая фотополимеры, пленки галогенида серебра, фоторезисты, дихромированный желатин и фоторефрактивные вещества. Материалы различаются по максимальной дифракционной эффективности, потребляемой мощности и разрешению. Фоторефрактивные элементы обладают высокой дифракционной эффективностью, средне-низким энергопотреблением и высоким разрешением.

Обновляемый 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] Существуют неорганические материалы, которые могут быстро обновляться, но их трудно увеличить больше, чем кубический сантиметр. Жидкокристаллический 3D-дисплеи существуют, но для создания изображений требуются сложные вычисления, которые ограничивают их частоту обновления и размер.

Blanche et al. продемонстрировал в 2008 году дисплей размером 4 на 4 дюйма, который обновлялся каждые несколько минут и работал несколько часов.[17] Органические фоторефрактивные материалы могут иметь частоту обновления до кГц, хотя она ограничена чувствительностью материала и мощностью лазера. Показанная в 2010 году чувствительность к материалам требует использования импульсных лазеров мощностью кВт.[18]

Настраиваемый цветной фильтр

Белый свет прошел через органический фоторефрактивный дифракционная решетка, приводит к поглощению длин волн, генерируемых поверхностный плазмонный резонанс и отражение дополнительные длины волн. Период дифракционной решетки можно регулировать, изменяя для управления длинами волн отраженного света. Это можно использовать для фильтров каналов, оптические аттенюаторы, и оптические цветные фильтры[19]

Оптическая связь

Оптическая связь в свободном пространстве (FSO) может использоваться для передачи данных с высокой пропускной способностью с помощью высокочастотных лазеров. Фазовые искажения, создаваемые атмосферой, можно исправить с помощью четырехволновой процесс смешения с использованием органических фоторефрактивных голограмм.[20] Природа FSO позволяет передавать изображения с почти исходным качеством в реальном времени.[21] Коррекция также исправляет движущиеся изображения.[21]

Обработка изображений и сигналов

Органические фоторефрактивные материалы - это нелинейный носитель, на котором можно записывать и читать большие объемы информации.[22] Голограммы из-за присущей оптической записи параллельной природы способны быстро обрабатывать большие объемы данных. Голограммы, которые можно быстро создать и прочитать, можно использовать для проверки подлинности документов, подобных водяной знак[22] Использование органических фоторефрактивных корреляторов согласованный фильтр[23] и совместное преобразование Фурье[24] конфигурации.

Логические функции (И, ИЛИ ЖЕ, НИ, XOR, НЕТ ) проводились с использованием двухволновой обработки сигнала.[25] Высокая дифракционная эффективность позволила Детектор CCD различать светлые пиксели (1 биты ) и темные пиксели (0 бит).[25]

Рекомендации

  1. ^ а б Moerner, W. E .; Молчание, Скотт М. (1994). «Полимерные фоторефрактивные материалы». Химические обзоры. 94 (1): 127–155. Дои:10.1021 / cr00025a005. ISSN  0009-2665.
  2. ^ а б Köber, S .; Сальвадор, М .; Меерхольц, К. (2011). «Органические фоторефрактивные материалы и их применение». Современные материалы. 23 (41): 4725–4763. Дои:10.1002 / adma.201100436.
  3. ^ Смит, Уиллоуби (20 февраля 1873 г.). «Воздействие света на селен при прохождении электрического тока». Природа. 7 (173): 303. Bibcode:1873 Натур ... 7Р.303.. Дои:10.1038 / 007303e0.
  4. ^ Берланд, Дональд (январь 1994). «Оптические нелинейности в химии: Введение». Chem. Rev. 94 (1): 1–2. Дои:10.1021 / cr00025a600.
  5. ^ а б c d Фрейлих, Хайме (2007). Фоторефрактивные материалы: основные понятия, голографическая запись и характеристика материалов. ВИЛИ-ИНТЕРНЕДЖИНА. ISBN  978-0-471-74866-3.
  6. ^ Джоши, Н. В. (1990). Фотопроводимость: искусство, наука и технологии. CRC Press. ISBN  978-0-8247-8321-1.
  7. ^ 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. Пайтманн, Фоторефрактивные материалы и их применение II: Материалы (редакторы: П. Гюнтер, Дж. П. Хуиньяр), Springer Series In Optical Science, Vol. 114, Springer, Берлин, 2006 г., стр. 83–121.
  10. ^ Meerholz, K .; Володин, Б.Л .; Kippelen, B .; Пейгамбарян, Н. (1994). «Фоторефрактивный полимер с высоким оптическим усилением и дифракционной эффективностью около 100%». Природа. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 371 (6497): 497–500. Bibcode:1994Натура.371..497М. Дои:10.1038 / 371497a0. ISSN  0028-0836.
  11. ^ М. Б. Кляйн, в «Фоторефрактивные материалы и их применение II: материалы» (редакторы: П. Гюнтер, Дж. П. Хиньяр), Springer Series In Optical Science, Vol. 114, Springer, Берлин, 2006 г., стр. 241–284
  12. ^ Ангиули, Марко; Чиарделли, Франческо; Коллиджани, Артуро; Греко, Франческо; Романо, Анналиса; Руджери, Джакомо; Томбари, Эльпидио (20 октября 2006 г.). «Фоторефрактивность материалов на основе поли-N-винилиндола по сравнению с таковой смесей на основе поли-N-винилкарбазола». Прикладная оптика. Оптическое общество. 45 (30): 7928–7937. Bibcode:2006ApOpt..45.7928A. Дои:10.1364 / АО.45.007928. ISSN  0003-6935. PMID  17068530.
  13. ^ Херлокер, Дж. А .; Fuentes-Hernandez, C .; Ferrio, K. B .; Hendrickx, E .; Blanche, P.-A .; и другие. (2000-10-09). «Стабилизация времени отклика в фоторефрактивных полимерах». Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 77 (15): 2292–2294. Bibcode:2000АпФЛ..77.2292Н. Дои:10.1063/1.1316077. ISSN  0003-6951.
  14. ^ Thomas, J .; Fuentes-Hernandez, C .; Ямамото, М .; Cammack, K .; Matsumoto, K .; и другие. (2004-11-18). "Композиты на основе полимеров бистриариламина для фоторефрактивных применений". Современные материалы. Вайли. 16 (22): 2032–2036. Дои:10.1002 / adma.200400102. ISSN  0935-9648.
  15. ^ Hendrickx, E .; Kippelen, B .; Thayumanavan, S .; Marder, S. R .; Persoons, A .; Пейгамбарян, Н. (2000). «Высокая эффективность фотогенерации комплексов с переносом заряда, образованных между ариламинами с низким потенциалом ионизации и C60". Журнал химической физики. Издательство AIP. 112 (21): 9557–9561. Bibcode:2000ЖЧФ.112.9557Н. Дои:10.1063/1.481572. ISSN  0021-9606.
  16. ^ Tay, S.A .; Бланш, П.А. (2008). «Обновляемый голографический трехмерный дисплей». Природа. 451 (7179): 694–698. Bibcode:2008Натура.451..694Т. Дои:10.1038 / природа06596. PMID  18256667.
  17. ^ Blanche, P.A .; Тай, С. (2008). «Обновляемый голографический трехмерный дисплей для трехмерной визуализации». Журнал Display Technology. 4 (4): 424–430. Bibcode:2008JDisT ... 4..424B. Дои:10.1109 / jdt.2008.2001574.
  18. ^ Blanche, P.A .; Баблумян, А. (2010). «Будущее фоторефрактивных голографических 3D-дисплеев». Proc. SPIE. Практическая голография XXIV: материалы и приложения. 7619: 7619. Bibcode:2010SPIE.7619E..0LB. Дои:10.1117/12.841442.
  19. ^ О, Дж .; Цой, Дж. (2009). «Настраиваемый цветной фильтр с поверхностным плазмонным резонансом с использованием органического фоторефрактивного композита». Прикладная оптика. 48 (17): 3160–4. Bibcode:2009ApOpt..48.3160O. Дои:10.1364 / ао.48.003160. PMID  19516354.
  20. ^ Li, G .; Эралп, М. (2005). «Полностью оптическая динамическая коррекция искаженных сигналов связи с использованием фоторефрактивной полимерной голограммы». Appl. Phys. Lett. 86 (16): 161103. Bibcode:2005АпФЛ..86п1103Л. Дои:10.1063/1.1898432.
  21. ^ а б Виниарц, Джеффри Дж .; Ghebremichael, F .; Томас, Джаян; Мередит, Джеральд; Пейгамбарян, Насер (31 мая 2004 г.). «Динамическая коррекция искаженного изображения с помощью фоторефрактивного полимерного композита». Оптика Экспресс. Оптическое общество. 12 (11): 2517–2528. Bibcode:2004OExpr..12.2517W. Дои:10.1364 / opex.12.002517. ISSN  1094-4087.
  22. ^ а б Володин, Б.Л .; Киппелен, Б. (1996). «Полимерная оптическая система распознавания образов для проверки безопасности». Природа. 383 (6595): 58–60. Bibcode:1996 Натур.383 ... 58В. Дои:10.1038 / 383058a0.
  23. ^ Володин, Б.Л .; Halvorson, C .; Kraabel, B .; Meerholz, K .; Heeger, A. J .; Пейгамбарян, Н. (1 января 1995 г.). «Оптические вычисления с использованием фоторефрактивных полимеров». Письма об оптике. Оптическое общество. 20 (1): 76–78. Bibcode:1995 ОптL ... 20 ... 76 ч. Дои:10.1364 / ол.20.000076. ISSN  0146-9592.
  24. ^ Banerjee, Partha P .; Гад, Эсам; Хадсон, Трейси; Макмиллен, Дина; Абдельдаем, Хоссин; Фрейзер, Дональд; Мацусита, Кендзи (2000-10-10). «Улучшение краев и корреляция с улучшенными краями с фоторефрактивными полимерами». Прикладная оптика. Оптическое общество. 39 (29): 5337–46. Bibcode:2000АпОпт..39,5337Б. Дои:10.1364 / АО.39.005337. ISSN  0003-6935. PMID  18354530.
  25. ^ а б Исикава, Дайсуке; Окамото, Ацуши; Хонма, Сатоши; Ито, Терумаса; Симаябу, Кохеи; Сато, Кунихиро (2007). "Полностью оптические многофункциональные логические вентили для информации об изображении с использованием фоторефрактивного двухволнового смешения". Оптический обзор. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 14 (4): 246–251. Bibcode:2007ОптРв..14..246И. Дои:10.1007 / s10043-007-0246-3. ISSN  1340-6000.