掺纳米粒子的光致聚合物复合材料全息存储特性研究课件.ppt

1、掺纳米粒子的光致聚合物掺纳米粒子的光致聚合物复合材料全息存储特性研究复合材料全息存储特性研究 黄明举黄明举开封开封 2012.112012.11 河南省光电信息材料与器件重点学科开放实验室，河南大学物理与电子学院河南省光电信息材料与器件重点学科开放实验室，河南大学物理与电子学院 Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus报告内容报告内容：n数字全息存储原理和特点数字全息存储原理和特点n全息记录材料的研究现状全息记录材料的研究现状n我们的工作我们的工作n结论与工作展望结论与工作展望Key Lab of inf

2、ormational Opto-Electronical Materials and AppartusYesterdayTodayFuture现有技术：磁存储、半导体存储（接近物理极限）现有技术：磁存储、半导体存储（接近物理极限）而具有体存储和并行读写特性的全息存储而具有体存储和并行读写特性的全息存储-最具潜力最具潜力Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus1.数字化全息存储原理数字化全息存储原理q读写原理：光学全息的原理读写原理：光学全息的原理 写入：写入：干涉记录干涉记录 读出：读出：衍射读出衍射读出

3、q数字化全息存储：信息被二值化编码后被调制到数字化全息存储：信息被二值化编码后被调制到物光束被光学全息法记录和读出物光束被光学全息法记录和读出q特点：特点：超高密度超高密度（三维体存储）、（三维体存储）、超高速度超高速度（并（并行读写）、行读写）、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.取取存存数字化全息存储的记录和读

4、出数字化全息存储的记录和读出 Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus1.1 对记录材料的性能要对记录材料的性能要求求 高灵敏度高灵敏度 （103 cm/J）空间分辨率范围广（空间分辨率范围广（102线线/mm 103线线/mm）折射率调制度高（折射率调制度高（n 10-3）低缩皱率低缩皱率 （0.1%）温度稳定性温度稳定性长的保存时间长的保存时间易于加工处理易于加工处理Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus 全息

5、存储技术实用化的决定因素全息存储技术实用化的决定因素最具前途的存储介质最具前途的存储介质1.2 全息存储材料全息存储材料 动态范围大动态范围大 高衍射效率高衍射效率 高分辨率高分辨率 完全干法处理完全干法处理价格低廉价格低廉Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus 1.3 光致聚合物材料存在的问题光致聚合物材料存在的问题 在光致聚合反应中发生体积缩皱在光致聚合反应中发生体积缩皱现象现象 折射率调制度不够高，材料动态折射率调制度不够高，材料动态范围不够大范围不够大 存在氧阻聚，材料灵敏度不够高存在氧阻聚，材

6、料灵敏度不够高Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus体积缩皱现象体积缩皱现象纳米粒子纳米粒子 折射率调制度折射率调制度对存在问题的改进对存在问题的改进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, Motoh

7、iko 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 课题组课题组2 .全息记录材料的研究现状全息记录材料的研究现状Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and AppartusTEMTEM图像图像掺入掺入SiO2的聚合物的聚合物TEM图图掺入掺入ZrO2的聚合物的聚合物TEM图图黑色部分为ZrO2富集区黑色部分为SiO2富集区Key La

8、b of informational Opto-Electronical Materials and Appartus 2.2 Vaia Vaia 课题组课题组 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态基质液态基质孟加拉玫瑰为染料孟加拉玫瑰为染料金纳米粒子（直径为金纳米粒子（直径为5nm）Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and AppartusTEMSEM15umKey Lab of informat

9、ional Opto-Electronical Materials and Appartus2.3 Izabela Naydenova Izabela Naydenova 课题组课题组 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光栅中光栅中Si-MFI、AA的拉曼强度分布的拉曼强度分布Key Lab of

10、informational Opto-Electronical Materials and Appartus2.4 Sanchez Sanchez课题组课题组UV敏感的丙烯酸酯敏感的丙烯酸酯液态基质液态基质TiO2 4nm30wt%掺杂浓度，膜厚掺杂浓度，膜厚15um Sanchez et al. Advanced Functional Materials,2005,16231629Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and AppartusTEMTEM图图自然光照射自然光照射相干光照射相干光照射Key Lab of inf

11、ormational Opto-Electronical Materials and Appartus3. 我们实验室的工作我们实验室的工作n基于基于丙烯酰胺和丙烯酰胺和N，N亚甲基双丙烯酰胺亚甲基双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含含双引发剂的高灵敏度双引发剂的高灵敏度光致聚合物光致聚合物n抗湿性抗湿性光致聚合物材料光致聚合物材料n多染料敏化多染料敏化宽带敏感宽带敏感光致聚合物的光化动力学光致聚合物的光化动力学n掺纳米粒子的抗缩皱光致聚合物掺纳米粒子的抗缩皱光致聚合物Key Lab of informational Opto-Electron

12、ical Materials and AppartusSiO2 TiO2 Mg(OH)2ZrO2 基于丙烯酰胺和双丙烯酰胺基于丙烯酰胺和双丙烯酰胺/聚乙烯醇聚乙烯醇纳米复合材料全息性能研究纳米复合材料全息性能研究+AA、BAA/PVAKey Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus实验条件实验条件温温 度度: 2025湿湿 度度: 40%60%在暗室中完成样品膜的在暗室中完成样品膜的制备制备PVA: 粘结剂粘结剂AA+BAA: 单单 体体TEA: 引发剂引发剂MB/EY ： 光敏染料光敏染料纳米粒子：纳米粒子：

13、无机成分无机成分 PVABAAAA MIX染料溶液染料溶液TEA溶液溶液纳米粒子纳米粒子 滴涂在玻璃基片上，待水分蒸发后便可测试滴涂在玻璃基片上，待水分蒸发后便可测试样品的制备过称样品的制备过称Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and AppartusAA SiO2BAATEAMBPVAS114.351.383.9932.210.07847.98S214.222.243.9531.920.07747.133S314.103.12 3.9231.640.07647.133S413.954.153.8831.300.07546

14、.632S513.229.143.6829.670.07244.203S014.55 4.0532.660.07948.652样品中各组分在初始溶液中的质量百分比（样品中各组分在初始溶液中的质量百分比（wt%wt%）3.1 SiO SiO2 2纳米复合材料的全息性能纳米复合材料的全息性能Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus3504004505005506006507007500.00.51.01.52.02.53.0 吸收率（ 任意单位）波 长 （ 纳米 ）(a)(b)(c)(d)混合样品：吸收峰位未

15、发生变化，掺杂后无其他物质生成混合样品：吸收峰位未发生变化，掺杂后无其他物质生成 样品的吸收光谱样品的吸收光谱(a)、(b) 为样品为样品S3、S0曝光曝光前的吸收谱曲线，前的吸收谱曲线，(c)、(d) 为样品为样品S3、S0曝光曝光后的吸收谱线。后的吸收谱线。 最大吸收峰在最大吸收峰在665nm处，可用处，可用波长为波长为633nm的激光对样品进的激光对样品进曝光实验。曝光实验。Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus05101520253035404520406080 透过率（%）曝光时间（S） S1

16、 S2 S3 S4 S5 S0透过率可表征样品的均匀性透过率可表征样品的均匀性样品均匀性的测试样品均匀性的测试Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus50607080 最大衍射效率（%）S0 S1 S24681012145060708090最大衍射效率（%）曝光强度 （mW/cm2）S3468101214 曝光强度 （mW/cm2）S4468101214 曝光强度 （mW/cm2）S55mW/cm28mW/cm210mW/cm213mW/cm2更有效的测量材料的全息性能更有效的测量材料的全息性能 确定最优

17、曝光条件确定最优曝光条件曝光方案的优化曝光方案的优化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）氧化硅浓度（wt%） 归一化衍射效率（%）布拉格偏移角(deg) S0 S1 S2 S3 S4 S5 fit对非倾斜光栅，对非倾斜光栅，获得获得最大信号强度时的参最大信号强度时的参考光与记录时参考光考光与记录时参考光位

18、置的偏离位置的偏离布拉格偏移布拉格偏移材料的维度稳定性材料的维度稳定性Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus布拉格偏移布拉格偏移化学成分的性质和配比纳米氧化硅的加入，有效的减小了样品的布拉格偏移角，提高了再现信息质量纳米氧化硅均匀在样品中分散，自身大的硬度支撑聚合物长链，使体积缩皱减小，布拉格偏移角减小。 布拉格偏移角的影响因素布拉格偏移角的影响因素参物光的夹角、曝光光 强折射率调制度曝光时间 Key Lab of informational Opto-Electronical Materials an

19、d Appartus051015202530020406080100 衍射效率 (%)曝光时间 (S) S1 S2 S3 S4 S5 S00510152025300.00.51.01.52.02.53.03.54.0 折射率调 制度 (x10-3)曝光时 间 (S) n1 n2 n3 n4 n5 n0衍射效率和折射率调制度衍射效率和折射率调制度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 02468101214167075808590

20、95100 衍射效率 (%)氧化硅浓度 (wt%)02468101214163.03.13.23.33.43.53.63.73.8 折射率调制度(x10-3)氧化硅浓度(wt%) SiOSiO2 2浓度的影响浓度的影响Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus-10123456789100.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.11.2 氧化硅浓度 （wt%）缩皱率（%）727476788082848688909294衍射效率 （%）缩皱率与衍射效率关系缩皱率与衍射效率关系缩皱率

21、最低可至缩皱率最低可至0.14%Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus迈克尔逊干涉光致折射率变化的测量迈克尔逊干涉光致折射率变化的测量高精度,光路操作简单易于多波长测量可测普通平板状透明介质激光器M1G2G1测试样品S探测计数器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%单体：单体：1.46修饰后氧

22、化硅修饰后氧化硅1.59周期性间隔分布周期性间隔分布证实了双扩散在本材料中存在证实了双扩散在本材料中存在复合全息光栅折射率分布复合全息光栅折射率分布Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and AppartusS1S2S3S4S5S0AA0.250.250.250.250.250.25BAA0.03240.03240.03240.03240.03240.0324TEA0.270.270.270.270.270.27MB2.610-42.610-42.610-42.610-42.610-42.610-4TiO20.5610-31

23、.1310-32.252.2510-34.504.5010-36.756.7510-30样品中各组分在初始溶液中的浓度（mol/l）3.2TiOTiO2 2纳米复合材料的全息性能纳米复合材料的全息性能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浓度对衍射效率的影响浓度对衍射效率的影响(平均粒

24、径平均粒径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浓度对浓度对衍射效率的影响衍射效率的影响0246810121416180.00.10.20.30.40.50.60.70.80.9 Diffraction efficiencyExposure time(s) S0 S1 S2 S3 S4 S5(平均粒

25、径平均粒径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 mismatch(

26、degree) Theory S3 S0Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus浓度与布拉格偏移的关系浓度与布拉格偏移的关系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)粒径与布拉格偏移关系粒径与布拉格偏移关系Key Lab of infor

27、mational Opto-Electronical Materials and Appartus组 分样 组 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(10-

28、3) c/(mol/l)00.3880.7761.5523.1046.207样品中各组分在初始溶液中的浓度3.3 Mg(OH) Mg(OH)2 2纳米复合材料的全息性能纳米复合材料的全息性能Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and AppartusMg(OH)Mg(OH)2 2浓度对衍射效率的影响浓度对衍射效率的影响024681012141618202224262830320102030405060708090100 Diffraction efficiency/%Exposure time t/s S0 S1 S2 S3

29、 S4 S501234567788082848688909294 Diffraction efficiency(%)Concentration(10-3mol/L)Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus 样品折射率调制样品折射率调制度度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移-1.

30、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组分浓度聚合物混合溶液中的各组分浓度(mol/l)S0S1S2S3S4S5AA0.250.250.250.250.250.25BAA0.03240.03240.03240.03240.03240.03

31、24TEA0.270.270.270.270.270.27MB2.610-42.610-42.610-42.610-42.610-42.610-4ZrO200.3710-31.1110-32.2110-33.3210-35.510-33.4 ZrOZrO2 2纳米复合材料的全息性能纳米复合材料的全息性能Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus样品样品X射线衍射谱射线衍射谱(a) ZrO2；(b) S0：无掺杂样品；(c) S3：掺杂样品n晶相值消失：相的兼容性较好；n峰值（19 ）：晶相有序性提高。 10

32、2030405060708005001000150020002500300035004000Intensity(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无机相颗粒与有机相基体

33、能够很好的兼容，避免出现相分离现象； 干膜表面的平整度和高度与掺杂的浓度可以通过掺杂量的多少来控制；采用单官能团和双官能团混合单体，有效避免掺杂干膜在曝光过程中产生的缩皱现象；证明了纳米复合干膜是一种具有高兼容性、可以人为控制的全息存储材料。未掺杂干膜的相结构图掺杂干膜的相结构图ZrO2纳米复合材料的纳米复合材料的AFM测试测试Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus纳米复合光栅的AFM高度结构图可以看出纳米复合薄膜的表面较平整；相对应的AFM相结构图可以看出纳米复合薄膜的表面凸凹不平，并且凸出部分与凹陷

34、部分呈现交错分布。 全息记录时，单体和纳米粒子相对扩散，形成具有选择性的周期分布，由于亮区和暗区组成成分和密度的不同最终形成高对比度的折射率光栅。说明了该实验体系中的双扩散机理，证明了该机制的存在。纳米复合光栅的高度结构图纳米复合光栅的相结构图Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus样品样品S0S5的透过率的透过率同一样品：时间同一样品：时间透过率透过率再再不同样品：浓度不同样品：浓度透过率透过率再再所以样品：最后所以样品：最后，没有，没有，均匀性良好，均匀性良好ZrO2纳米复合材料的均匀性表征纳米复合材

35、料的均匀性表征05101520253035400102030405060708090100Transmittance(%)Exposure time(s) S0 S1 S2 S3 S4 S5 Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus样品样品S0S5的最大衍射效率的最大衍射效率随掺杂浓度的变换曲线随掺杂浓度的变换曲线样品样品S0S5的最大折射率调制度的最大折射率调制度随掺杂浓度的变换曲线随掺杂浓度的变换曲线1.8810-3 2.2810-3 样品的衍射效率、折射率调制度与掺杂浓度的关系样品的衍射效率、折射率

36、调制度与掺杂浓度的关系样品样品 衍射效率衍射效率Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus 对布拉格偏移的影响对布拉格偏移的影响样品样品S6S6的布拉格偏移的布拉格偏移0.160.16样品样品S3S3的布拉格偏移的布拉格偏移0.040.04获得最大信号强度时获得最大信号强度时的参考光与记录时参的参考光与记录时参考光位置的偏离考光位置的偏离布拉格偏移布拉格偏移-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.00.20.40.60.81.00.00.20.40.60.81.0Normalized diffracti

37、on efficiencyBragg angle deviation/degree Theory S0 S3 Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus模拟全息存储实验结果模拟全息存储实验结果 原始图像原始图像 衍射再现像衍射再现像 Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus 数字全息存储实验结果数字全息存储实验结果（a）原始图像原始图像（b）衍射再现像衍射再现像Key Lab of informational Opto

38、-Electronical Materials and Appartus数字图像的像素强度分析数字图像的像素强度分析（1） （2） （3） （4） （1）、（）、（2）分别为分别为（a）中某点的横向中某点的横向和纵向强度分布曲线，和纵向强度分布曲线，（3）、（）、（4）分别为分别为（b）中对应点的横中对应点的横向和纵向强度分布曲向和纵向强度分布曲线。线。再现像保真度比较高再现像保真度比较高Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus掺入纳米粒子后，材料掺入纳米粒子后，材料缩皱率有明显减低缩皱率有明显减低材料折射率调制度增加材料折射率调制度增加衍射效率有较大提高衍射效率有较大提高抑制氧阻聚，曝光灵敏抑制氧阻聚，曝光灵敏度增强度增强4. 结果与工作展望结果与工作展望纳米粒子的纳米粒子的种类种类问题问题纳米粒子的纳米粒子的修饰修饰问题问题纳米粒子的纳米粒子的粒径粒径问题问题双扩散的双扩散的理论模型理论模型Key Lab of informational Opto-Electronical Materials and Appartus谢谢，欢迎指导！谢谢，欢迎指导！