摻納米粒子的光致聚合物復(fù)合材料全息存儲(chǔ)特性研究

1、摻納米粒子的光致聚合物摻納米粒子的光致聚合物復(fù)合材料全息存儲(chǔ)特性研究復(fù)合材料全息存儲(chǔ)特性研究 黃明舉黃明舉開封開封 2012.112012.11 河南省光電信息材料與器件重點(diǎn)學(xué)科開放實(shí)驗(yàn)室，河南大學(xué)物理與電子學(xué)院河南省光電信息材料與器件重點(diǎn)學(xué)科開放實(shí)驗(yàn)室，河南大學(xué)物理與電子學(xué)院 Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus報(bào)告內(nèi)容報(bào)告內(nèi)容：n數(shù)字全息存儲(chǔ)原理和特點(diǎn)數(shù)字全息存儲(chǔ)原理和特點(diǎn)n全息記錄材料的研究現(xiàn)狀全息記錄材料的研究現(xiàn)狀n我們的工作我們的工作n結(jié)論與工作展望結(jié)論與工作展望Key Lab of inf

2、ormational Opto-Electronical Materials and AppartusYesterdayTodayFuture現(xiàn)有技術(shù)：磁存儲(chǔ)、半導(dǎo)體存儲(chǔ)（接近物理極限）現(xiàn)有技術(shù)：磁存儲(chǔ)、半導(dǎo)體存儲(chǔ)（接近物理極限）而具有體存儲(chǔ)和并行讀寫特性的全息存儲(chǔ)而具有體存儲(chǔ)和并行讀寫特性的全息存儲(chǔ)-最具潛力最具潛力Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus1.數(shù)字化全息存儲(chǔ)原理數(shù)字化全息存儲(chǔ)原理q讀寫原理：光學(xué)全息的原理讀寫原理：光學(xué)全息的原理 寫入：寫入：干涉記錄干涉記錄 讀出：讀出：衍射讀出衍射讀出

3、q數(shù)字化全息存儲(chǔ)：信息被二值化編碼后被調(diào)制到數(shù)字化全息存儲(chǔ)：信息被二值化編碼后被調(diào)制到物光束被光學(xué)全息法記錄和讀出物光束被光學(xué)全息法記錄和讀出q特點(diǎn)：特點(diǎn)：超高密度超高密度（三維體存儲(chǔ)）、（三維體存儲(chǔ)）、超高速度超高速度（并（并行讀寫）、行讀寫）、冗余度高冗余度高Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and AppartusThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.取取存存數(shù)字化全息存儲(chǔ)的

4、記錄和讀出數(shù)字化全息存儲(chǔ)的記錄和讀出 Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus1.1 對(duì)記錄材料的性能要對(duì)記錄材料的性能要求求 高靈敏度高靈敏度 （103 cm/J）空間分辨率范圍廣（空間分辨率范圍廣（102線線/mm 103線線/mm）折射率調(diào)制度高（折射率調(diào)制度高（n 10-3）低縮皺率低縮皺率 （0.1%）溫度穩(wěn)定性溫度穩(wěn)定性長(zhǎng)的保存時(shí)間長(zhǎng)的保存時(shí)間易于加工處理易于加工處理Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartu

5、s 全息存儲(chǔ)技術(shù)實(shí)用化的決定因素全息存儲(chǔ)技術(shù)實(shí)用化的決定因素最具前途的存儲(chǔ)介質(zhì)最具前途的存儲(chǔ)介質(zhì)1.2 全息存儲(chǔ)材料全息存儲(chǔ)材料 動(dòng)態(tài)范圍大動(dòng)態(tài)范圍大 高衍射效率高衍射效率 高分辨率高分辨率 完全干法處理完全干法處理價(jià)格低廉價(jià)格低廉Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus 1.3 光致聚合物材料存在的問題光致聚合物材料存在的問題 在光致聚合反應(yīng)中發(fā)生體積縮皺在光致聚合反應(yīng)中發(fā)生體積縮皺現(xiàn)象現(xiàn)象 折射率調(diào)制度不夠高，材料動(dòng)態(tài)折射率調(diào)制度不夠高，材料動(dòng)態(tài)范圍不夠大范圍不夠大 存在氧阻聚，材料靈敏度不夠高存在氧

6、阻聚，材料靈敏度不夠高Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus體積縮皺現(xiàn)象體積縮皺現(xiàn)象納米粒子納米粒子 折射率調(diào)制度折射率調(diào)制度對(duì)存在問題的改進(jìn)對(duì)存在問題的改進(jìn)Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus Naoaki Suzuki, Yasuo Tomita. Appl. Phys. Lett, 2003,42:927929 Naoaki Suzuki, Yasuo Tomita, Kentaroh Ohmori, M

7、otohiko Hidaka, Katsumi Chikama. Optics.Express,2006,14(26): 12712127191MSiO2 36nmTiO2 15nmZrO2 3nm甲基丙烯酸聚合物甲基丙烯酸聚合物2.1 Tomita 課題組課題組2 .全息記錄材料的研究現(xiàn)狀全息記錄材料的研究現(xiàn)狀Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and AppartusTEMTEM圖像圖像摻入摻入SiO2的聚合物的聚合物TEM圖圖摻入摻入ZrO2的聚合物的聚合物TEM圖圖黑色部分為ZrO2富集區(qū)黑色部分為SiO2富集區(qū)Ke

8、y Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus 2.2 Vaia Vaia 課題組課題組 Vaia, R., Dennis, C., Natarajan, et al. Adv. Mat. 2001, 13, 1570.丙烯酸基聚合物丙烯酸基聚合物液態(tài)基質(zhì)液態(tài)基質(zhì)孟加拉玫瑰為染料孟加拉玫瑰為染料金納米粒子（直徑為金納米粒子（直徑為5nm）Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and AppartusTEMSEM15umKey Lab of info

9、rmational Opto-Electronical Materials and Appartus2.3 Izabela Naydenova Izabela Naydenova 課題組課題組 Aleksander M Ostrowski,Izabela Naydenova and VincentToal J.Opt.A:Pure.Appl.Opt. 11 (2009) 034004 (4pp)Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus光柵中光柵中Si-MFI、AA的拉曼強(qiáng)度分布的拉曼強(qiáng)度分布Key Lab

10、 of informational Opto-Electronical Materials and Appartus2.4 Sanchez Sanchez課題組課題組UV敏感的丙烯酸酯敏感的丙烯酸酯液態(tài)基質(zhì)液態(tài)基質(zhì)TiO2 4nm30wt%摻雜濃度，膜厚摻雜濃度，膜厚15um Sanchez et al. Advanced Functional Materials,2005,16231629Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and AppartusTEMTEM圖圖自然光照射自然光照射相干光照射相干光照射Key Lab of

11、 informational Opto-Electronical Materials and Appartus3. 我們實(shí)驗(yàn)室的工作我們實(shí)驗(yàn)室的工作n基于基于丙烯酰胺和丙烯酰胺和N，N亞甲基雙丙烯酰胺亞甲基雙丙烯酰胺的不同染的不同染料敏化的光致聚合物的全息性能料敏化的光致聚合物的全息性能n含含雙引發(fā)劑的高靈敏度雙引發(fā)劑的高靈敏度光致聚合物光致聚合物n抗?jié)裥钥節(jié)裥怨庵戮酆衔锊牧瞎庵戮酆衔锊牧蟦多染料敏化多染料敏化寬帶敏感寬帶敏感光致聚合物的光化動(dòng)力學(xué)光致聚合物的光化動(dòng)力學(xué)n摻納米粒子的抗縮皺光致聚合物摻納米粒子的抗縮皺光致聚合物Key Lab of informational Opto-Elec

12、tronical Materials and AppartusSiO2 TiO2 Mg(OH)2ZrO2 基于丙烯酰胺和雙丙烯酰胺基于丙烯酰胺和雙丙烯酰胺/聚乙烯醇聚乙烯醇納米復(fù)合材料全息性能研究納米復(fù)合材料全息性能研究+AA、BAA/PVAKey Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus實(shí)驗(yàn)條件實(shí)驗(yàn)條件溫溫 度度: 2025濕濕 度度: 40%60%在暗室中完成樣品膜的在暗室中完成樣品膜的制備制備PVA: 粘結(jié)劑粘結(jié)劑AA+BAA: 單單 體體TEA: 引發(fā)劑引發(fā)劑MB/EY ： 光敏染料光敏染料納米粒子：納米

13、粒子： 無機(jī)成分無機(jī)成分 PVABAAAA MIX染料溶液染料溶液TEA溶液溶液納米粒子納米粒子 滴涂在玻璃基片上，待水分蒸發(fā)后便可測(cè)試滴涂在玻璃基片上，待水分蒸發(fā)后便可測(cè)試樣品的制備過稱樣品的制備過稱Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and AppartusAA SiO2BAATEAMBPVAS114.351.383.9932.210.07847.98S214.222.243.9531.920.07747.133S314.103.12 3.9231.640.07647.133S413.954.153.8831.300.0

14、7546.632S513.229.143.6829.670.07244.203S014.55 4.0532.660.07948.652樣品中各組分在初始溶液中的質(zhì)量百分比（樣品中各組分在初始溶液中的質(zhì)量百分比（wt%wt%）3.1 SiO SiO2 2納米復(fù)合材料的全息性能納米復(fù)合材料的全息性能Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus3504004505005506006507007500.00.51.01.52.02.53.0 吸收率（ 任意單位）波 長(zhǎng) （ 納米 ）(a)(b)(c)(d)混合樣品：吸

15、收峰位未發(fā)生變化，摻雜后無其他物質(zhì)生成混合樣品：吸收峰位未發(fā)生變化，摻雜后無其他物質(zhì)生成 樣品的吸收光譜樣品的吸收光譜(a)、(b) 為樣品為樣品S3、S0曝光曝光前的吸收譜曲線，前的吸收譜曲線，(c)、(d) 為樣品為樣品S3、S0曝光曝光后的吸收譜線。后的吸收譜線。 最大吸收峰在最大吸收峰在665nm處，可用處，可用波長(zhǎng)為波長(zhǎng)為633nm的激光對(duì)樣品進(jìn)的激光對(duì)樣品進(jìn)曝光實(shí)驗(yàn)。曝光實(shí)驗(yàn)。Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus05101520253035404520406080 透過率（%）曝光時(shí)間（S

16、） S1 S2 S3 S4 S5 S0透過率可表征樣品的均勻性透過率可表征樣品的均勻性樣品均勻性的測(cè)試樣品均勻性的測(cè)試Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus50607080 最大衍射效率（%）S0 S1 S24681012145060708090最大衍射效率（%）曝光強(qiáng)度 （mW/cm2）S3468101214 曝光強(qiáng)度 （mW/cm2）S4468101214 曝光強(qiáng)度 （mW/cm2）S55mW/cm28mW/cm210mW/cm213mW/cm2更有效的測(cè)量材料的全息性能更有效的測(cè)量材料的全息性能

17、確定最優(yōu)曝光條件確定最優(yōu)曝光條件曝光方案的優(yōu)化曝光方案的優(yōu)化Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus-1.0-0.50.00.51.00.00.20.40.60.81.00123456789100.000.020.040.060.080.100.120.140.160.18 布拉格偏移角（degr）氧化硅濃度（wt%） 歸一化衍射效率（%）布拉格偏移角(deg) S0 S1 S2 S3 S4 S5 fit對(duì)非傾斜光柵，對(duì)非傾斜光柵，獲得獲得最大信號(hào)強(qiáng)度時(shí)的參最大信號(hào)強(qiáng)度時(shí)的參考光與記錄時(shí)參考光考光與記錄時(shí)

18、參考光位置的偏離位置的偏離布拉格偏移布拉格偏移材料的維度穩(wěn)定性材料的維度穩(wěn)定性Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus布拉格偏移布拉格偏移化學(xué)成分的性質(zhì)和配比納米氧化硅的加入，有效的減小了樣品的布拉格偏移角，提高了再現(xiàn)信息質(zhì)量納米氧化硅均勻在樣品中分散，自身大的硬度支撐聚合物長(zhǎng)鏈，使體積縮皺減小，布拉格偏移角減小。 布拉格偏移角的影響因素布拉格偏移角的影響因素參物光的夾角、曝光光 強(qiáng)折射率調(diào)制度曝光時(shí)間 Key Lab of informational Opto-Electronical Material

19、s and Appartus051015202530020406080100 衍射效率 (%)曝光時(shí)間 (S) S1 S2 S3 S4 S5 S00510152025300.00.51.01.52.02.53.03.54.0 折射率調(diào) 制度 (x10-3)曝光時(shí) 間 (S) n1 n2 n3 n4 n5 n0衍射效率和折射率調(diào)制度衍射效率和折射率調(diào)制度101III排除材料本身原因造成的散射和吸收排除材料本身原因造成的散射和吸收Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus 0246810121416707580

20、859095100 衍射效率 (%)氧化硅濃度 (wt%)02468101214163.03.13.23.33.43.53.63.73.8 折射率調(diào)制度(x10-3)氧化硅濃度(wt%) SiOSiO2 2濃度的影響濃度的影響Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus-10123456789100.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.11.2 氧化硅濃度 （wt%）縮皺率（%）727476788082848688909294衍射效率 （%）縮皺率與衍射效率關(guān)系縮皺率與衍射效率關(guān)

21、系縮皺率最低可至縮皺率最低可至0.14%Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus邁克爾遜干涉光致折射率變化的測(cè)量邁克爾遜干涉光致折射率變化的測(cè)量高精度,光路操作簡(jiǎn)單易于多波長(zhǎng)測(cè)量可測(cè)普通平板狀透明介質(zhì)激光器M1G2G1測(cè)試樣品S探測(cè)計(jì)數(shù)器Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus1.571.481.581.471.591.460% 10% 20% 30% 40% 50% 3%5%7%9%34%41%單體：?jiǎn)误w：1.46

22、修飾后氧化硅修飾后氧化硅1.59周期性間隔分布周期性間隔分布證實(shí)了雙擴(kuò)散在本材料中存在證實(shí)了雙擴(kuò)散在本材料中存在復(fù)合全息光柵折射率分布復(fù)合全息光柵折射率分布Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and AppartusS1S2S3S4S5S0AA0.250.250.250.250.250.25BAA0.03240.03240.03240.03240.03240.0324TEA0.270.270.270.270.270.27MB2.610-42.610-42.610-42.610-42.610-42.610-4TiO20.561

23、0-31.1310-32.252.2510-34.504.5010-36.756.7510-30樣品中各組分在初始溶液中的濃度（mol/l）3.2TiOTiO2 2納米復(fù)合材料的全息性能納米復(fù)合材料的全息性能Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus0246810121416180.00.10.20.30.40.50.60.70.80.9 Diffraction efficiency S0 S1 S2 S3 S4 S5Exposure Time(s)TiOTiO2 2濃度對(duì)衍射效率的影響濃度對(duì)衍射效率的影響

24、(平均粒徑平均粒徑10 nm)-1012345670.740.760.780.800.820.840.860.88 Diffraction efficiencyConcentration(10-3mol/L)Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and AppartusTiOTiO2 2濃度對(duì)濃度對(duì)衍射效率的影響衍射效率的影響0246810121416180.00.10.20.30.40.50.60.70.80.9 Diffraction efficiencyExposure time(s) S0 S1 S2 S3 S4 S5

25、(平均粒徑平均粒徑36 nm)-1012345670.500.550.600.650.700.750.800.85 Diffraction efficiencyConcentration(10-3mol/L)Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus材料的布拉格偏移材料的布拉格偏移Ar+Kr+ LaserMRMMSHSHBSPMLSample2f2f-1.0-0.50.00.51.00.00.20.40.60.81.0 Normalized diffraction efficiencyBragg misma

26、tch(degree) Theory S3 S0Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus濃度與布拉格偏移的關(guān)系濃度與布拉格偏移的關(guān)系012345670.040.060.080.100.120.140.16 Bragg mismatch(degree)Concentration(10-3mol/L)101520253035400.040.060.080.100.12 Bragg mismatch(degree)TiO2 diameter(nm)粒徑與布拉格偏移關(guān)系粒徑與布拉格偏移關(guān)系Key Lab of i

27、nformational Opto-Electronical Materials and Appartus組 分樣 組 S0 S1 S2 S3 S4 S5PVA /(wt%)8.0008.0008.0008.0008.0008.000AA c/(mol/)l0.2500.2500.2500.2500.2500.250BAA c/(mol/l)0.0330.0330.0330.0330.0330.033TEA c/(mol/l)0.2700.2700.2700.2700.2700.270EY(10-4) c/(mol/l)2.6002.6002.6002.6002.6002.600Mg(OH)2

28、(10-3) c/(mol/l)00.3880.7761.5523.1046.207樣品中各組分在初始溶液中的濃度3.3 Mg(OH) Mg(OH)2 2納米復(fù)合材料的全息性能納米復(fù)合材料的全息性能Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and AppartusMg(OH)Mg(OH)2 2濃度對(duì)衍射效率的影響濃度對(duì)衍射效率的影響024681012141618202224262830320102030405060708090100 Diffraction efficiency/%Exposure time t/s S0 S1 S

29、2 S3 S4 S501234567788082848688909294 Diffraction efficiency(%)Concentration(10-3mol/L)Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus 樣品折射率調(diào)制樣品折射率調(diào)制度度024681012141618202224262830320.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.2 Refractive index modulation( 10-3)Exposure time t/s S0 S2布拉格偏移布拉格偏

30、移-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.00.20.40.60.81.00.00.20.40.60.81.0 Nomalized diffraction efficiencyBragg mismatch deviation / Theory S0 S2Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus聚合物混合溶液中的各組分濃度聚合物混合溶液中的各組分濃度(mol/l)S0S1S2S3S4S5AA0.250.250.250.250.250.25BAA0.03240.03240.03240.03240.0324

31、0.0324TEA0.270.270.270.270.270.27MB2.610-42.610-42.610-42.610-42.610-42.610-4ZrO200.3710-31.1110-32.2110-33.3210-35.510-33.4 ZrOZrO2 2納米復(fù)合材料的全息性能納米復(fù)合材料的全息性能Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus樣品樣品X射線衍射譜射線衍射譜(a) ZrO2；(b) S0：無摻雜樣品；(c) S3：摻雜樣品n晶相值消失：相的兼容性較好；n峰值（19 ）：晶相有序性提高

32、。 102030405060708005001000150020002500300035004000Intensity(cps)Theta(degree) ZrO2(a) 10203040506070800100200300400500Intensity(cps)Theta(degree) Doped (c)10203040506070800100200300400500Intensity(cps)Theta(degree) Non-doped (b)Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus無機(jī)相顆粒與有

33、機(jī)相基體能夠很好的兼容，避免出現(xiàn)相分離現(xiàn)象； 干膜表面的平整度和高度與摻雜的濃度可以通過摻雜量的多少來控制；采用單官能團(tuán)和雙官能團(tuán)混合單體，有效避免摻雜干膜在曝光過程中產(chǎn)生的縮皺現(xiàn)象；證明了納米復(fù)合干膜是一種具有高兼容性、可以人為控制的全息存儲(chǔ)材料。未摻雜干膜的相結(jié)構(gòu)圖摻雜干膜的相結(jié)構(gòu)圖ZrO2納米復(fù)合材料的納米復(fù)合材料的AFM測(cè)試測(cè)試Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus納米復(fù)合光柵的AFM高度結(jié)構(gòu)圖可以看出納米復(fù)合薄膜的表面較平整；相對(duì)應(yīng)的AFM相結(jié)構(gòu)圖可以看出納米復(fù)合薄膜的表面凸凹不平，并且凸出部

34、分與凹陷部分呈現(xiàn)交錯(cuò)分布。 全息記錄時(shí)，單體和納米粒子相對(duì)擴(kuò)散，形成具有選擇性的周期分布，由于亮區(qū)和暗區(qū)組成成分和密度的不同最終形成高對(duì)比度的折射率光柵。說明了該實(shí)驗(yàn)體系中的雙擴(kuò)散機(jī)理，證明了該機(jī)制的存在。納米復(fù)合光柵的高度結(jié)構(gòu)圖納米復(fù)合光柵的相結(jié)構(gòu)圖Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus樣品樣品S0S5的透過率的透過率同一樣品：時(shí)間同一樣品：時(shí)間透過率透過率再再不同樣品：濃度不同樣品：濃度透過率透過率再再所以樣品：最后所以樣品：最后，沒有，沒有，均勻性良好，均勻性良好ZrO2納米復(fù)合材料的均勻性表征納米復(fù)合材料的均勻性表征05101520253035400102030405060708090100Transmittance(%)Exposure time(s) S0 S1 S2 S3 S4 S5 Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus樣品樣品S0S5的最大衍射效率的最大衍射效率隨摻雜濃度的變換曲線隨摻雜濃度的變換曲線樣品樣品S0S5的最大折射率調(diào)制度的最大折射率調(diào)制度隨摻雜濃度的變換曲線隨摻雜濃度的變換曲線1.8810-3 2.2810-3