Микроскопическая природа уширения оптических спектров органических хромофорных молекул в твердых средах при низких температурах : исследование методами селективной лазерной спектроскопии

• Автор: Горшелев, Алексей Алексеевич
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Троицк
• Количество страниц: 145 с. : ил.

Оглавление
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
Введение
Глава 1. Электронно-колебательные спектры в примесных
ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ СРЕДАХ (ОБЗОР)
§ 1Л. Основы спектроскопии примесного центра
§ 1.2. Однородное и неоднородное уширение спектров
§ 1.3. Оптическая дефазировка и спектральная диффузия
§ 1.4. Селективная лазерная спектроскопия
§ 1.5. Выводы по Главе
Глава 2. Выжигание спектральных провалов и спектроскопия
ОДИНОЧНЫХ МОЛЕКУЛ - МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
§ 2Л. Выжигание спектральных провалов
§ 2.2. Спектроскопия одиночных молекул
§2.3. Приготовление образцов
§2.4. Выводы по Главе
Глава 3. Выжигание спектральных провалов как метод
ИССЛЕДОВАНИЯ КИНЕТИКИ ФОТОПРОЦЕССОВ И
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ДИНАМИКИ В ПРИМЕСНЫХ ПОЛИМЕРАХ
§3.1. Исследование кинетики фотореакций в примесных органических
твердотельных средах с использованием техники выжигания широкого
спектрального провала
§ 3.2. Размерные эффекты в полистирольных нанообъектах
§3.3. Выводы по Г лаве
Глава 4. Сиектромикроскопия примесных одиночных молекул в
ОРГАНИЧЕСКИХ ТВЕРДЫХ СРЕДАХ: ИССЛЕДОВАНИЕ
МИКРОСКОПИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ УШИРЕНИЯ СПЕКТРОВ ПРИ
НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
§ 4.1. Регистрация спектров и флуоресцентых изображений всех эффективно излучающих примесных молекул в макроскопическом объеме
твердотельного образца
§ 4.2. Поликристаллический о-дихлоробензол, легированный терриленом, -
примесная система с высокой фотостабильностью излучающих центров.
§ 4.3. Нанодиагностика структуры и динамики примесных твердых сред по
флуоресцентным изображениям и спектрам одиночных молекул
§ 4.4. Распределения параметров спектров одиночных молекул в объемном
образце: связь с локальной структурой и динамикой матрицы
§4.5. Выводы по Главе
Заключение
Публикации по теме диссертации в сборниках трудов
Статьи по теме диссертации в рецензируемых журналах
Список рисунков и таблиц
Список формул
Благодарности
Список цитированной литературы
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
АҐ-ФТЦ - алюминиевый комплекс фталоцианина
н2-тап - безметальный тетраазапорфин
н2-тах - свободное основание тетраазахлорина
Н2-ТФП - безметальный тетрафенилпорфин
АСМ - атомно-силовой микроскоп
АЦП - аналогово-цифровой преобразователь
БФЛ - бесфононная линия
ВП - выжигание провалов
ВУП - выжигание узкого провала
вшп - выжигание широкого провала
ДУС - двухуровневая система
КЭ - квантовая эффективность
ЛСЛФ - лазерное сужение линий флуоресценции
Н-Г екс - н-гексадекан
НФХВ - нефотохимическое выжигание
нчм - квазилокализованная низкочастотная колебательная
о-ДХБ - 1,2- (орто-) дихлорбензол
ОМ - , одиночная молекула
ПВБ - поливинилбутираль
ПЗС - прибор с зарядовой связью
ПЗУ - постоянное запоминающее устройство
ПИБ - поли(изобутилен)
ПС - полистирол
СВЛ СД _ Селективное возбуждение спектров люминесценции спектральная диффузия
сом - спектроскопия одиночных молекул
ТБТ - тетра-трет-бутилтеррилен
Тер - террилен
ФК - фононное крыло
ФХВ - фотохимическое выжигание
ФЭУ - фотоэлектронный умножитель
ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь

ВВЕДЕНИЕ
Спектроскопия - одна из старейших и, в то же время, наиболее динамично развивающихся областей современной науки [1], стимулирующая формирование новых направлений фундаментальных исследований и новых технологий. Особое место среди различных методов спектроскопии занимает оптическая спектроскопия, интенсивному развитию которой способствовало создание источников монохроматического когерентного излучения в видимом диапазоне длин волн - лазеров [2]. Благодаря лазерной технике и разработке на ее основе новых методик исследований, оптическая спектроскопия стала одним из наиболее востребованных методов исследования вещества и его взаимодействия с электромагнитным излучением. Эта техника предоставляет уникальные возможности при решении широкого круга задач в физике твердого тела и, в частности, при исследованиях твердых сред со сложной структурой.
Твердотельные материалы и структуры на основе сложных молекулярных систем всё чаще используются человеком в самых различных областях -в быту, производстве, технике, строительстве. В перечень этих материалов входят поликристаллические соединения; разнообразные полимеры; широкий круг органических стёкол и аморфных органических полупроводников; наноструктурированные материалы и нанообъекты; разнообразные биологические структуры и др. Широкое применение указанных материалов, необходимость в создании на их основе новых технологических продуктов и инструментария делают актуальным глубокое изучение их фундаментальных свойств и характеристик: механических, тепловых, электрических, оптических. Большинство физических характеристик объекта определяется, главным образом, внутренней структурой и динамикой вещества. В частности, уникальные свойства сложных молекулярных систем во многом определяются неупорядоченностью и неоднородностью (пространственной, временной, энергетической) их микроструктуры. Неупорядоченность структуры и ло-

и уширения спектральных линий, а на уровне ансамбля примесных молекул, как уширение спектров (оптическая дефазировка и спектральная диффузия). Это позволяет получать микроскопическую информацию о таких процессах путем наблюдения за процессами спектральной динамики в спектрах примесных хромофорных молекул. К настоящему времени в этой области получен ряд важных результатов (см. [9] и ссылки там). В частности: (а) Предложен и реализован способ корректного количественного описания сложных по форме спектральных линий одиночных молекул, основанный на использовании концепции моментов/кумулянтов распределения. Показано экспериментально, что параметры спектров ОМ в исследуемой полимерной системе при Т=2К подчиняются статистике Леви [29, 82]. (б) Проведены измерения спектров одиночных молекул в молекулярных стеклах - замороженных стеклообразующих жидкостях. Обнаружено, что медленная (минуты-часы) микроскопическая динамика органических стекол в диапазоне температур от 2К до 1ОК и выше не согласуется с общепринятыми представлениями о внутренней динамике неупорядоченных твердотельных сред и не может быть описана с использованием существующих теорий (стандартная модель туннелирующих ДУС, модель НЧМ и т.п.) [83, 84]. Это означает, что в нанометровом масштабе особенности внутренней динамики непосредственно связаны с конкретной структурой неупорядоченной твердотельной среды, (в) Разработана техника, позволяющая по спектрам одиночных примесных молекул измерять плотность колебательных состояний в примесных неупорядоченных системах (полимерах и стеклах). Было показано, что внедрение в малой концентрации в аморфную твердотельную матрицу близких по химическому составу хромофорных молекул не меняет принципиально низкотемпературную колебательную динамику объекта. Продемонстрирована прямая связь между квази-локальными низкочастотными колебательными модами с возбуждениями, определяющими форму Бозонного пика [85-87]. (г) Разработана и реализована в эксперименте методика измерения спектров одной и той же молекулы при различных температурах в диапазоне от 1.6 К до нескольких десятков К. На ее основе (путем анализа температурной зависимости параметров спек-