Фотонапівпровідникове середовище для реєстрації оптичних голограм

Реферат: Винахід належить до оптично активних середовищ на основі фоточутливих олігомерних композитів з напівпровідниковими властивостями, які використовуються для запису оптичних голограм. Винахід реалізується створенням фотонапівпровідникового середовища для реєстрації оптичних голограм, яке складається з твердої прозорої підкладки з нанесеними на неї послідовно: прозорим електропровідним шаром ІТО, світлочутливим шаром, сенсибілізованим органічним барвником І з внутрішньомолекулярним переносом заряду: NO 2 NO 2 NO 2 O 2N S S C 17H 35 ,I UA 101778 C2 (12) UA 101778 C2 у якому як світлочутливий шар використовується новий радіальний карбазолілвмісний полісилоксан з центром розгалуження на атомі германію загальної формули II: CH3 Ge O CH2 CH CH2 O Si OH C6H5 4 4 N , II який синтезований взаємодією тетрахлориду германію з метилфенілдихлорсиланом та Nкарбазолілпропандіолом-1,2, з високими реологічними властивостями, що дає змогу підвищити дифракційну ефективність голограм в 1,5-2 рази, що в свою чергу дозволяє використовувати лазери з меншою потужністю випромінювання і тим самим зменшити їх вартість. UA 101778 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Винахід належить до оптично активних середовищ на основі фоточутливих олігомерних композитів з напівпровідниковими властивостями, які використовуються для запису оптичних голограм. Відомі фотонапівпровідникові середовища на основі олігогліцидилкарбазолу (ОГК), коолігомеру карбазолілгліцидилового етеру з бутилгліцидиловим етером (ГКБЕ) [1, 2], які використовуються для фотоелектричних перетворювачів сонячної енергії, випромінювачів світла і для запису та збереження оптичної інформації (електрографія і голографія). Для реєстрації оптичних голограм фототермопластичним способом [1, 3] використовуються середовища, які складаються з твердої прозорої підкладки з нанесеними на неї послідовно: прозорого електропровідного шару, світлочутливого шару на основі карбазолілвмісного олігомеру з домішками сенсибілізатора фотопровідності. Наявність карбазолільних замісників у ланцюзі олігомеру забезпечує транспорт нерівноважних носіїв заряду (ННЗ) у шарі цих середовищ. ННЗ (дірки) у світлочутливому шарі виникають при його опроміненні видимим світлом. Оскільки карбазолілвмісні олігомери не поглинають видиме світло, до складу плівок інформаційних середовищ додають сенсибілізатори - органічні акцептори [1], або барвники [2], які в першому випадку утворюють міжмолекулярні комплекси з переносом заряду (КПЗ) з карбазолільними замісниками олігомерів. Такі КПЗ є центрами поглинання видимого світла і фотогенерації ННЗ. Недоліками інформаційних середовищ з КПЗ є: малий коефіцієнт поглинання, особливо у ближньому ІЧ діапазоні, що потребує використання лазерів великої потужності і унеможливлює використання ІЧ лазерів; залежність коефіцієнта поглинання від умов приготування плівок світлочутливого шару (коефіцієнт поглинання у смузі переносу заряду залежить від швидкості випаровування розчинника і температури, при якій готуються плівки), що призводить до нестабільності параметрів голографічних середовищ, які приготовлені при різних умовах. При сенсибілізації органічними барвниками коефіцієнт поглинання світла не залежить від умов приготування плівок світлочутливого шару, але вузькі смуги поглинання, які притаманні органічним барвникам [2], не дозволяють використовувати такі середовища при застосуванні лазерів з різною довжиною хвилі випромінювання, особливо для реєстрації зображальних голограм. Умовою успішного використання голографічних реєструючих середовищ для фототермопластичного способу реєстрації голограм у широкому спектральному діапазоні є сенсибілізація шарів на основі олігомерів органічними сполуками з внутрішньо молекулярним переносом заряду, які мають широку смугу поглинання світла, включаючи ближню ІЧ область [2]. Другою умовою є застосування у світлочутливих шарах олігомерів, що мають реологічні властивості, які полегшують утворення геометричного рельєфу поверхні плівкових шарів на стадії проявлення голограм, та в ланцюгах, де карбазолільні замісники знаходяться на мінімальній відстані між собою для прискорення переносу ННЗ (дірок) при утворенні прихованого зображення голограми в реєструючому середовищі. Найбільш близьким до запропонованого є фотонапівпровідникове середовище для реєстрації оптичних голограм [4], яке складається з твердої прозорої підкладки з нанесеними на неї послідовно: прозорого електропровідного шару SnO2:In2O3 (ITO), світлочутливого шару на основі коолігомеру ГКБЕ з дірковим типом провідності і з домішкою сенсибілізатора, а саме сполуки з внутрішньомолекулярним переносом заряду (СВПЗ1), структурна формула (І) якого наведена нижче: NO 2 NO 2 NO 2 O 2N S 45 S C 17H 35 .I У цьому реєструючому середовищі молекули СВПЗ1 поглинають видиме світло в діапазоні довжини хвилі 400-750 нм і у збудженому стані захоплюють електрони з карбазолільних замісників ГКБЕ. У зовнішньому електричному полі, яке спеціально створюється в процесі 1 UA 101778 C2 5 10 15 запису оптичних голограм фототермопластичним способом, електронні вакансії (дірки) переміщуються між сусідніми карбазолільними замісниками у ланцюзі ГКБЕ і утворюють струм фотопровідності. Недоліком цього фотонапівпровідникового середовища для реєстрації оптичних голограм є те, що жорстка структура ланцюга ГКБЕ, яка поєднує карбазольні фрагменти, не в повній мірі забезпечує реологічні властивості фотонапівпровідникових середовищ для реєстрації оптичних голограм. Задачею даного винаходу є створення фотонапівпровідникового середовища для реєстрації оптичних голограм з світлочутливим шаром на основі нового карбазолілвмісного олігомеру з високими реологічними властивостями, сенсибілізованого органічним барвником, що дає змогу підвищити дифракційну ефективність голограм в 1,5-2 рази і дозволяє використовувати лазери з різною довжиною хвилі випромінювання та меншою потужністю випромінювання і тим самим зменшити їх вартість. Поставлена задача вирішується тим, що у фотонапівпровідниковому середовищі для реєстрації оптичних голограм, яке складається з твердої прозорої підкладки з нанесеними на неї послідовно прозорого електропровідного шару ІТО, світлочутливого шару з домішкою органічного барвника з внутрішньомолекулярним переносом заряду СВПЗ1, де у світлочутливому шарі використано новий радіальний карбазолілвмісний полісилоксан з центром розгалуження на атомі германію (РКСО) з високими реологічними властивостями структурної формули (II): 20 CH3 Ge O CH2 CH O CH2 Si OH C6H5 4 4 N . II 25 30 Синтез РКСО проведений по зазначеній нижче методиці. Саме радіальна структура РКСО забезпечує ефективний транспорт ННЗ та високі реологічні властивості шарів. Саме такий принцип створення фотонапівпровідникового середовища для реєстрацій оптичних голограм, у якому використовується новий карбазолілвмісний олігомер з високими реологічними властивостями, виражає сукупність суттєвих ознак, які приведені у формулі, що необхідні і достатні для досягнення технічного результату. Приклад 1 Проведено синтез РКСО за реакцією: CH3 GeCl 4 +4 HOCH2 CHOH CH3SiCl2C6H5 Ge -HCl O CH2 CH CH2 CH2 N O Si OH N C6H5 4 4 . 35 40 Приклад 2 Зразки фотонапівпровідникового середовища для реєстрації оптичних голограм готували в такий спосіб: ГКБЕ і РКСО змішували з відповідною кількістю СВПЗ1 та розчиняли у толуолі. Розчини фільтрували. Співвідношення компонентів становило: олігомер - 95-99,5 мас. %, СВПЗ1 - 0,5-5 мас. %. Полив світлочутливого шару здійснювали із розчину на скляну підкладку площею 40 × 50 мм, покриту прозорим електропровідним шаром ІТО з опором 20 Ом/квадрат. Після поливу світлочутливого шару й утворення плівки зразок фотонапівпровідного середовища 2 UA 101778 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 сушили у термошафі при температурі +80 °C протягом 4-х годин. Товщина світлочутливого шару складала 1,1-1,2 мкм. Зразки для випробування мали наступний склад компонентів: ГКБЕ + (0,5-5,0) мас. % СВПЗ1, РКСО + (0,5-5,0) мас. % СВПЗ1. Для виготовлених зразків вимірювали оптичну густину (D) та фототермопластичні характеристики. Вимірювання D проводили в діапазоні довжини хвилі світла () 400-800 нм. На фіг.1 представлений нормований графік залежності D/Dmax від . Форма спектральної кривої і положення максимумів і мінімумів однакові для всіх зразків. Вимірювання фототермопластичних характеристик композицій проводили в такий спосіб. На початку поверхню світлочутливого шару заряджали в коронному розряді позитивними іонами до потенціалу 120-130 В. Далі реєстрували голограму плоского хвильового фронту (просторова -1 частота 500 мм , довжина хвилі світла випромінювання лазера 650 нм, співвідношення інтенсивності світла в опорному і об'єктному променях 1:1). Далі зареєстроване зображення голограми плоского хвильового фронту проявляли. Для цього до електропровідного шару ІТО зразка фотонапівпровідникового середовища прикладали напругу 200 В. При цьому світлочутливий термопластичний шар розм'якшувався і приховане електростатичне зображення перетворювалося в геометричний рельєф поверхні світлочутливого термопластичного шару. Під час процесу проявлення голограми за допомогою фотоприймача безупинно вимірювали дифракційну ефективність () відновленого зображення голограми плоского хвильового фронту в -1 порядку дифракції. Для цього електричний сигнал від фотоприймача подавали на вхід запам'ятовуючого осцилографа, запуск розгортки якого був синхронізований з переднім фронтом імпульсу напруги проявлення. Для визначення максимальної дифракційної ефективності використовували максимальне значення інтенсивності світла, якому відповідає максимум кривої на осцилограмі. З плином часу світлочутливий термопластичний шар нагрівався до температури, яка була вища за температуру розм'якшення світлочутливого термопластичного шару. Це призводило до зникнення (залічування) геометричного рельєфу поверхні світлочутливого термопластичного шару і відповідно - до зникнення голографічного зображення, про що свідчить зменшення електричного сигналу фотоприймача. Після охолодження фотонапівпровідникове середовище використовували для наступного вимірювання. За результатами цих вимірювань визначали залежність дифракційної ефективності від експозиції It1, де I - інтенсивність світла, яке попадає на реєструюче середовище, t1 - час експозиції. Для прикладу на фіг.2 представлені епюри кінетики зростання і релаксації  після початку імпульсу напруги проявлення, які отримані у зразках ГКБЕ + 2 мас. % СВПЗ1 (крива 1) і РКСО + 2 мас. % СВПЗ1 (крива 2). З фіг. 2 видно, що в зразках оптичного середовища, яке заявляється, величина  в максимумі кінетики зростання і релаксації (mах) більша, ніж у прототипі. Це дає змогу підвищити дифракційну ефективність голограм в 1,5-2 разів, що в свою чергу дозволяє використовувати лазери з меншою потужністю випромінювання і тим самим зменшити їх вартість. Крім того, з фіг.2 видно, що початок розвитку геометричного рельєфу поверхні світлочутливого термопластичного шару після початку проявлення голограми настає раніше у зразках з РКСО, ніж у зразках з ГКБЕ. Це означає, що температура пом'ягшення менша у РКСО, ніж у ГКБЕ. Останнє свідчить про кращі реологічні властивості нової плівкоутворюючої основи РКСО у порівнянні з ГКБЕ. Крім того, у досліджених зразках на основі РКСО спостерігається помітне зменшення паразитного шуму у порівнянні зі зразками прототипу, що є необхідною умовою для зростання роздільної здатності і покращення якості голограм. В таблиці 1 приведені результати вимірів залежності максимальної дифракційної -6 ефективності max при It1 = 110 Дж для зразків зі світлочутливими шарами на основі ГКБЕ і РКСО при різних концентраціях N барвника СВПЗ1. Найвища дифракційна ефективність досягається при концентраціях СВПЗ1 2 мас. %. Менші значення max для N 5 мас. % зростає електропровідність цього шару. Оптимальним є діапазон концентрації барвника від 1 до 5 мас. %. З таблиці 1 видно, що при таких концентраціях в зразках фотонапівпровідникового середовища, що заявляється, величина  на 60-80 % більша, ніж у прототипі. 3 UA 101778 C2 Таблиця 1 Концентрація N барвника СВПЗ1 у світлочутливому шарі Дифракційна ефективність max Світлочутливий шар голографічного середовища, голограми, % мас. % 0,5 7 1,0 11 ГКБЕ + N мас. % СВПЗ1 (прототип) 2,0 14 5,0 12 0,5 10 1,0 18 PKCO + N мac. % CBПЗ1 (винахід) 2,0 22 5,0 20 5 10 15 Джерела інформації: 1. Кувшинский Н.Г., Давиденко Н.А., Комко В.М. Физика аморфных молекулярных полупроводников. К.: Лыбидь, 1994, 176 с. 2. Деклараційний патент на винахід № 51123 "Оптичне середовище для реєстрації оптичних голограм". Аль-Кадімі А.Д., Давиденко М.О., Дерев'янко Н.О., Іщенко О.О., Кувшинський М.Г., Павлов В.О. Бюлетень винаходів, №11, 15.11.2002. 3. Деклараційний патент на корисну модель № UA15406 U "Спосіб запису оптичних голограм". Давиденко М.О., Гетьманчук Ю.П., Заболотний М.А., Мокринська О.В., Павлов В.О., Студзинський С.Л., Чуприна М.Г. Бюлетень винаходів, № 6, 15.06.2006 р. 4. Давиденко Н.А., Ищенко А.А., Костенко Л.И., Кувшинский Н.Г., Кулинич А.В., Меленевский Д.А., Мысык Д.Д., Мысык Р.Д., Павлов B.A., Чуприна Н.Г. Голографические регистрирующие среды на основе систем с внутри и межмолекулярным переносом заряда. // Химия высоких энергий, 2005, Т. 39, № 4. - С. 297-306. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 Фотонапівпровідникове середовище для реєстрації оптичних голограм, що складається з твердої прозорої підкладки з нанесеними на неї послідовно: прозорим електропровідним шаром, світлочутливим шаром на основі карбазолілвмісного олігомеру з домішками барвника І як сенсибілізатора фотопровідності: NO 2 NO 2 NO 2 O 2N S S C 17H 35 ,I 25 яке відрізняється тим, що як світлочутливий шар використовують радіальний карбазолілвмісний полісилоксан з центром розгалуження на атомі германію загальної формули II: 4 UA 101778 C2 CH3 Ge O CH2 CH CH2 O Si OH C6H5 4 4 N , II 5 синтезований взаємодією тетрахлориду германію з метилфенілдихлорсиланом та Nкарбазолілпропандіолом-1,2, при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: барвник 1,05,0 мас. %, залишок - олігомер. 5 UA 101778 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6