Фотостимулированная перестройка структуры и пространственной ориентации нанокомпонентов молекулярных слоев полиметиновых красителей

• Автор: Старовойтов, Антон Андреевич
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 138 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕТИНОВЫХ МОЛЕКУЛ. КОМПОНЕНТНЫЙ СОСТАВ И ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ОРИЕНТАЦИЯ КОМПОНЕНТНОВ МОЛЕКУЛЯРНЫХ СЛОЕВ ПОЛИМЕТИНОВЫХ КРАСИТЕЛЕЙ

1.1. Электронное строение полиметиновых молекул. Влияние длины цепи сопряжения,

СТРОЕНИЯ И ЗЛЕКТР0110ДОІ ЮРІ ЮСТИ KOI 1ЦЕВЫХ ГРУПП

1.2. СТЕРЕОИЗОМЕРИЗАЦИЯ И АГРЕГАЦИЯ МОЛЕКУЛ ПОЛИМЕТИНОВЫХ КРАСИТЕЛЕЙ

1.3. КОМПОНЕНТНЫЙ СОСТАВ И ПРОСТРАНСТВЕ! ШЛЯ OP! IHH РАЦИЯ МОЛЕКУЛ В СЛОЯХ

полиметиновых краси і Елей

1.4. ТНРМО-И ФОТОСТИМУЛИРОВАННЫЕС1ЕРЕОИЗОМЕРИЗАЦИЯ, ДЕСТРУКЦИЯ И ИЗМЕНЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОРИЕНТАЦИИ КОМПОНЕНТОВ МОЛЕКУЛЯРНЫХ СЛОЕВ

ГЛАВА 2. ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. ПРИГОТОВЛЕНИЕ ОБРАЗЦОВ

2.2. Спектральные приборы, атомі ю-силовой микроскоп
2.3. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОРИЕНТАЦИИ КОМПОНЕНТОВ СЛОЯ
2.4. Определи ihr компонентного состава молекулярного слоя
2.5. Оценка поверхностной концентрации мономолекул
2.6. ЛАЗЕРІ ІАЯ УСТАНОВКА
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СТРОЕНИЯ ПОЛИМЕТИНОВЫХ КРАСИТЕЛЕЙ И ПОВЕРХНОСТНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ МОЛЕКУЛ НА КОМПОНЕНТНЫЙ СОСТАВ МОЛЕКУЛЯРНОГО СЛОЯ. ФОТОСТИМУЛИРОВАННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ КОМПОНЕНТНОГО СОСТАВА И ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОРИЕНТАЦИИ КОМПОНЕНТОВ СЛОЯ
3.1. Формирование равновесного компонентного сос і два
3.2. 1 ^СЛЕДОВАНИЕ CEJIFKIИВНОГО ФОТОВОЗБУЖДЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ СЛОЕВ И ПЕРЕДАЧИ ЭНЕР1 пи
ВОЗБУЖДЕНИЯ НА КОМПОНЕНIЫ ДРУГОГО СТРОЕНИЯ
3.3. НЕОБРАТИМЫЕ ФОТОСТИМУЛИРОВАННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ КОМПОНЕН ГНОГО СОСТАВА И УГЛОВ
ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОРИЕНТАЦИИ КОМПОНЕНТОВ
3.4. Изменение морфологии слоя поддействигм лазерного излучения
3.5. ФОТОДЕСТРУКЦИЯ СЛОЯ
ГЛАВА 4. МЕХАНИЗМЫ ФОТОСТИМУЛИРОВАННОЙ ПЕРЕСТРОЙКИ СТРУКТУРЫ И ФОРМИРОВАНИЯ РАВНОВЕСТНОГО КОМПОНЕНТНОГО СОСТАВА СЛОЯ. ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ОПТИЧЕСКОЙ ЗАПИСИ ИНФОРМАЦИИ В МОЛЕКУЛЯРНЫХ СЛОЯХ ПОЛИМЕТИНОВЫХ КРАСИТЕЛЕЙ
4.1. Механизмы формирования равновесного компонентного состава молекулярных
СЛОЕВ
4.2. Модель перестройки пространственной ориентации наиокомпонентов и
комі юнентного состава слоя полиметиновых красителей под действием фоговозбуждения и нагрева
4.3. Расчет фотостимулированной ііересі ройки простраі іственной ориентации
КОМПОНЕН 10В СЛОЯ
4.4. Оценка возможное! и записи информаі дій оптическими методами с помощью
МЕХАНИЗМОВ ФОЮ- И ТЕРМОСТИМУЛ1ІРОВАННОЙ перестройки стерпостроения и пространственной ОРИЕНТАЦИИ НАНОКОМПОНННІОВ МОЛЕКУЛЯРНОГО СЛОЯ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Введение
Исследования, проводимые в рамках диссертационной работы, относятся к области нанотехнологий, приоритетному направлению в науке и технике, как в России, так и за рубежом. И, в частности, к области нанофотоники, науке об оптических характеристиках материалов, построенных из частиц наноразмерных масштабов, - новой бурно развивающейся области исследований [1]. Очевидно, что результаты, полученные нанофотоникой, могут стать основой для будущих информационных технологий, поскольку они позволят создавать информационные системы из элементов более миниатюрных и работающих на более высоких частотах, чем используемые сегодня [2].
Для этих целей перспективными средами являются молекулярные слои органических красителей [3]. Такие красители имеют размеры порядка нескольких нанометров, что позволяет отнести их к нанообъектам, а их агрегаты рассматривать как молекулярные нанокластеры [4,5]. Компонентный состав, фотофизические и фотохимические свойства молекулярных слоев красителей сильно отличаются от свойств этих же соединений в растворах [6].
В диссертации исследованы механизмы формирования равновесного компонентного состава молекулярного слоя полиметиновых красителей и фотостимулированные процессы перестройки молекулярной структуры и пространственной ориентации компонентов слоя. Исследования полиметиновых красителей в растворах имеют долгую историю [7,8]. Однако до сих пор нет структурированного обзора, посвященного оптическим свойствам этих соединений, адсорбированным на поверхности.
Необходимость изучения молекулярных слоев полиметиновых красителей вызвана потенциально широким диапазоном их использования. Слои таких красителей нашли применение в качестве фоторегис грирующих сред для записи и хранения информации [9-12] и фоточувствительных
элементов цветосенсибилизированных солнечных батарей (так называемых ячеек Гретцеля [13-15]). Полиметиновые красители [16] и их 1-агрегаты [17] имеют высокую кубическую восприимчивость, что позволяет использовать их как нелинейно-оптические материалы. На основе этих агрегатов создаются экспериментальные пленочные образцы фотохимических переключателей с субпикосекундными временами отклика для оптоэлектроники [18]. Ведутся работы по улучшению эксплуатационных характеристик светоизлучающих диодов и полевых транзисторов, дихроичных цветных светофильтров для жидкокристаллических дисплеев на основе молекулярных слоев [19].
Структурные изменения органических молекул под действием оптического излучения и нагрева давно привлекают внимание исследователей. Это связано с тем, что стереоизомеризация играет важную роль в процессах внутримолекулярного переноса энергии оптического возбуждения [20] и механизма зрения [21], процессы стереоперестройки влияют на эффективность активных сред лазеров, затворов для пассивной модуляции добротности и синхронизации мод, созданных на основе растворов [22] и пленок [17] полиметиновых красителей.
Одно из преимуществ потенциального применения красителей в качестве приемно-преобразующих элементов компьютеров заключается в способности органических молекул воспринимать и обрабатывать информацию, представленную в нечетком виде, в отличие от современных полупроводниковых систем [23]. Кроме того, молекула, способная к структурной фотостереоизомеризации, может не только принимать и преобразовывать информацию, но и записывать её. Адсорбированные на поверхности молекулы могут двигаться под действием света, например, за счет фотоизомеризации, но это движение не является организованным процессом. Однако если молекулы могут обмениваться информацией о своем положении посредством изменения распределения электронной плотности, это может приводить к самоорганизации молекул, изначально хаотично

молекул из разных монослоев, что приведет к отличию изомерного состава, числа ассоциированных форм и пространственной ориентации компонентов [33]. Близкое взаимное расположение молекул повышает степень их ассоциации в слое.
Исследования-слоев симметричных и несимметричных полиметиновых красителей на диэлектрических подложках методами адсорбционной и флуоресцентной спектроскопии выявили наличие мономерных конфигураций молекул - all-trans- и cis-изомеров, а так же ассоциированных - димеров и J-агрегатов [17,37, 69-71]. Следует отметить, что в некоторых работах полосы стереоизомеров были неотличимы, и авторы рассматривали их как одну полосу поглощения мономера.
В некоторых работах, преимущественно посвященных получению и исследованию J-агрегатов, компонентным составом слоя пренебрегают. Так в работе [6] исследованы слои гомологического ряда (п = 0, 1,2,3,4) полиметинового красителя, отмечено уширение спектра поглощения слоя по сравнению со спектром раствора, наносимого методом spin-coating. Полоса поглощения слоя названа неоднородно уширенной, в связи с хаотически ориентированными дипольными моментами молекул (all-trans-изомеров), хотя в спектре слоя полиметина с п = 1 отчетливо видно присутствие, по крайней мере, двух полос поглощения. В тоже время прослеживается уширение спектра поглощения с увеличением длины (п) полиметиновой цепи, так полуширина спектра поглощения раствора полиметина с п = 4 составляет 50 нм, в то время эта же величина для слоя равна — 300 нм.
В работе [33] было исследовано влияние толщины молекулярного слоя на конформационное и агрегатное строение и пространственную ориентацию компонентов слоев симметричного дикарбоцианинового красителя со средней электронодонорностью, нанесенных методом spin-coating. Для выяснения строения отдельных компонентов спектры слоев были сопоставлены со спектрами растворов. Узкая длинноволновая полоса поглощения раствора полиметинового красителя в спиртах определяется