Получение композиционных материалов с использованием фотохромных и светоизлучающих соединений и применение многослойных структур на их основе в устройствах хранения и обработки информации

Скачать 0.85 Mb.

Название	Получение композиционных материалов с использованием фотохромных и светоизлучающих соединений и применение многослойных структур на их основе в устройствах хранения и обработки информации
страница	9/11
Тип	Автореферат

filling-form.ru > Договоры > Автореферат

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

:С₅H₈O₂ = 1:5 имеют наиболее высокие значения k₅₇₀(t) = 0,35, в то время как БР:С₅H₈O₂ = 1:10 и 1:30 меньшими (k₅₇₀(t) = 0,31), что объяснятся высоким содержанием продукта окисления С₅H₈O₂ атмосферным О₂ (глутаровой кислоты), частично разрушающего молекулы БР. Была исследована динамика изменения значений k₅₇₀(t) для пленок БР:С₅H₈O₂ в течение года. Образцы БР:С₅H₈O₂ = 1:5 сохраняют высокие значения k₅₇₀(t)  0,35 на протяжении 120 сут. Спустя 330 сут. для всех образцов БР:С₅H₈O₂ k₅₇₀(t) = 0,3.

Получены пленки БР:С₂Н₅NO₂, БР:С₆Н₁₃NO₂ и БР:С₆H₁₄N₂O₂ = 1:1  1:25. Пленки БР:С₆H₁₄N₂O₂ были оптически прозрачными и однородными. Образцы на протяжении не менее 50 сут стабильно сохраняли более высокие значения k₅₇₀(t) (0,450,50) по сравнению с контрольным образцом (0,150,2).

Строение пленок БР. Зависимость между изменением строения и функциональными параметрами пленок БР в процессе эксплуатации. Исследовались пленки БР и БР:С₆H₁₄N₂O₂. Методом спектроскопии комбинационного рассеивания (спектрометр S3000, Instruments SA, для возбуждения использовался Arлазер с  = 514,5 нм) показано, что структура молекул БР в пленках сохраняется. Морфология поверхности пленок исследовалась методом растровой электронной микроскопии (РЭМ, установка CARL ZEISS LEO 1430 VP). Для обеспечения отвода заряда с поверхности пленок на них методом магнетронного распыления наносили проводящее покрытие из Ti толщиной <90 нм. На рис. 26, а представлены результаты РЭМ. Структура пленок БР состоит из участков с определенной упорядоченностью – доменов, которые разделены междоменными границами. Прямолинейный характер границ позволил предположить, что домены имеют кристаллическую структуру, образованную БР.

Рис. 26. а) Строение пленки БР толщиной 9 мкм, сформированной на подложке из стекла К-8 (центральная область) (РЭМ). б) Схема направления сколов при образовании доменов в пленках БР. в) Диаграмма распределения углов сколов доменов в пленках БР.

На основании анализа снимков РЭМ построена диаграмма распределения углов между прямолинейными границами контура доменов (рис. 26, в). Предпочтительными углами скола доменов являются 60, 90 и 120. Так как молекулы БР образуют белково-липидный комплекс с гексагональной упаковкой, так называемые пурпурные мембраны (ПМ), то такое распределение углов подтверждает, что домены образованы молекулами БР. Раскол пленок происходит по липидной фазе (рис. 26, б).

Методом атомно–силовой микроскопии (АСМ, микроскопы СММ2000Т и SOLVER NTMDT) выявлены специфические особенности центральной и периферийной областей. Центральная область пленок имеет шероховатую поверхность с размером бугорков от 50 до 150 нм. Среднее арифметическое отклонение профиля (R_a) на поверхности пленок, измеренное по профилограмме, не превышает 20 нм, а высота неровностей профиля по 10 точкам (R_z) – 30 нм.

На рис. 27, а, б показаны особенности строения пленок БР:С₆H₁₄N₂O₂. На поверхности пленок, исследованных через 60 суток эксплуатации (облучение лазером на  = 532 нм и с плотностью мощности 23,2 мВт/см²), становятся заметными протяженные образования длиной не менее 5 мкм, шириной 20–25 нм и высотой 2–3 нм (рис. 27, б). Главным компонентом протяженных образований являются молекулы или агрегаты С₆H₁₄N₂O₂.

а) б)

Рис. 27. Морфология поверхности пленки БР:С₆H₁₄N₂O₂ толщиной 6 мкм (АСМ): а) сразу после приготовления; б) после эксплуатации в течение 60 суток.

Результаты АСМ подтверждаются данными исследования пленок просвечивающей электронной микроскопией (микроскоп JEM 200CХ) методом платиноугольных реплик. Исследованы свежеизготовленные пленки БР и БР:С₆H₁₄N₂O₂, а также образцы после эксплуатации в течение 80 сут. Для немодифицированных пленок БР характерно хаотическое расположение ПМ с размерами 200 нм. Поверхность пленки БР:С₆H₁₄N₂O₂ = 1:25 представляет собой ориентированное наслоение ПМ с размерами 0,21 мкм и толщиной 510 нм. Пленки БР:С₆H₁₄N₂O₂ обладают более высокими значениями k₅₇₀(t) по сравнению с немодифицированными образцами. Разрушение структуры модифицированных пленок БР приводит к миграции молекул веществамодификатора к поверхности. Спустя 80 сут для образца БР:С₆H₁₄N₂O₂ = 1:25 наблюдается увеличение светорассеивания и уменьшение значений k₅₇₀(t) (рис. 28), связанные с формированием на поверхности пленки протяженных образований С₆H₁₄N₂O₂. Рассмотрены возможные механизмы указанного процесса.

а) б)

Рис. 28. Зависимость функциональных свойств от строения пленок БР:С₆H₁₄N₂O₂ = 1:25: а) после приготовления; б) после 80 сут. эксплуатации.

Для выяснения и исследования строения кристаллических фаз в пленках БР использована рентгеновская дифрактометрия (РД, установка ДРОН3, графитовый монохроматор, Cu k_αизлучение). Изучены пленки БР и БР:С₆H₁₄N₂O₂ штамма D96N. На дифрактограмме пленки БР:С₆H₁₄N₂O₂ штамма D96N присутствуют отражения, показывающие упорядоченное расположение молекул в пленке. Отражения возникают от наслоения друг на друга фрагментов ПМ. Размер областей когерентного рассеивания рентгеновского излучения составлял 37,5 нм, что позволяет предположить, что упорядоченная структура образована элементами, содержащими 7 ПМ (межплоскостные расстояния d/n = 7,1150 нм и 3,5786 нм). На дифрактограммах пленок БР:С₆H₁₄N₂O₂ со сроком эксплуатации 4 месяца отражений не обнаружено.

Для определения элементного состава сформированных пленок на основе БР применялся метод рентгеноспектрального микроанализа (установка Camebax Microbeam, Cameca Microprobe). Приведены диаграммы распределения элементов в пленке БР:С₆H₁₄N₂O₂ = 1:25. Элементный состав для всех исследованных пленок на основе БР был одинаковым. Основу сформированных пленок составляют С, О, N. Отмечено, что в периферической области обнаружены S, P и Ca. Перераспределение компонентов по поверхности происходит вследствие миграции несвязанных молекул фосфолипидов и сульфогликолипидов, содержащих S и P, в периферическую область. Такой же механизм имеет место и для ионов Ca²⁺. Сигналы Al, Si, Na, Mg возникают от материала подложки. Приведены количественные измерения содержания C, O и N, полученные для подложки из стекла К8 и сформированной на ней пленки БР:С₆H₁₄N₂O₂ = 1:25.

Встроенные в многослойные структуры дифракционные решетки. Исследовались параметры (период, глубина модуляции решетки и профиль) реплик дифракционных решеток (L= 400, 600, 700, 800 нм), встроенных в планарные волноводы и получаемых методом репликации и фотоотверждения в полимерных материалах, а также оценивались наличие, количество и размеры дефектов. Исследования осуществлялись на АСМ Solver Pro и Аgilent 5400 в контактном (для размеров исследуемых областей 1010 мкм, 5×5 мкм и 2×2 мкм) и акустическом (для размеров 40×40 мкм) режимах. Перед каждым измерением проводилась калибровка по сертифицированной мере.

Дефекты реплик, как правило, обусловлены дефектами матрицы дифракционной решетки и имеют характерные размеры ≈0,6–1,3 мкм при допустимом размере дефекта ≤2,5 мкм (рис. 30, 31). Суммарная площадь дефектов <4×10⁴% от общей площади дифракционной решетки и не влияет существенно на эффективность ввода и вывода излучения. Отклонение периода реплики от периода матрицы решетки лежит в диапазоне 57% при допустимом значении 8% и связано с усадкой в процессе репликации.

а)
б)
Рис. 30. Трехмерная реконструкция АСМ-изображения (а) и профиль (б) дифракционной решетки с  = 800 нм (область сканирования 1010 мкм).	Рис. 31. АСМ-изображение реплики дифракционной решетки с  = 800 нм (область сканирования 4040 мкм). Области дефектов промаркированы белой границей.

Глубина модуляции решеток составляет 25%–41% от L, что характеризует их как решетки с сильной связью (рис. 32). Отклонение профиля от синусоидальности (рис. 33) обусловлено несовершенством матрицы. Измеренные параметры дифракционных решеток (период, дефектность) подтверждаются экспериментальными данными, полученными методом РЭМ.

а)

б)

Рис. 32. АСМ-изображение (а) и профиль (б) реплики дифракционной решетки с  = 800 нм (область сканирования 55 мкм).

а)

б)

Рис. 33. АСМ-изображение (а) и профиль (б) реплики дифракционной решетки с =800 нм (область сканирования 22 мкм).

В пятой главе рассмотрены технологические методы получения многослойных волноводных структур на основе композитных материалов для оптической нейросетевой обработки информации и 3D запоминающих устройств, контроль модового состава.

Обеспечение технологической совместимости при формировании многослойных структур. Решены проблемы, возникающие вследствие разных адгезионных свойств материалов, и задачи согласования функциональных и технологических требований к спектральным характеристикам различных слоев.

Обеспечение адгезии между подложкой, на поверхности которой находятся гидрофильные силоксановые группы (HOSi), и пленкой БР, гидрофобного белка, достигалось формированием методом центрифугирования промежуточного адгезионного слоя из 1%, масс раствора мочевино-формальдегидной смолы (Мч-163) в о-ксилоле. Отверждение пленок Мч-163 (толщина <150 нм, интерференционный микроскоп МИИ-4, ЛОМО) проводилось при 50С в течение 20 мин.

Для обеспечения адгезии между подложкой и пленками на основе термически необратимых дигетарилэтенов в полимерной матрице из поливинилкарбазола, формируемых методом центрифугирования, а также адгезии между подложкой и граничными слоями с использованием сополимеров на основе поликарбонатметакрилата и полиперфторгептилакрилата, которые формировались методом радикальной полимеризации при действии УФ-излучения, использовался промежуточный слой адгезионного вещества. Промежуточный слой толщиной <100 нм (интерференционный микроскоп МИИ-4, ЛОМО) получали методом полива из 0,01%, масс раствора метакрилоксипропилтриэтоксисилана в смеси воды и изопропилового спирта в соотношении 1:1. Отверждение проводилось при 40С в течение 1 мин.

Для формирования граничных слоев планарных волноводов использовались формообразующие поверхности (в т.ч. матрицы дифракционных решеток), позволяющие осуществлять отверждение под воздействием УФ излучения в отсутствии кислорода (ингибитора процессов радикальной полимеризации). Решена задача по уменьшению адгезии между полимером граничного слоя планарного волновода и формообразующей поверхностью, которая предварительно выдерживалась последовательно в атмосфере паров раствора смеси диметилдихлорсилана (2%, объем) и триметилхлорсилана (3%, объем) в абсолютированном гексане и в атмосфере паров воды. Каждая стадия занимала 5 мин. Кремнийорганические вещества, адсорбируемые на формообразующей поверхности, гидролизуются под воздействием воды и образуют гидрофильные силоксановые группы.

Для повышения адгезии между слоями фотополимеров и БР-содержащей пленкой формируется слой на основе поливинилбутираля в этилцеллозольве. Указанный адгезионный слой выполняет также и защитные функции. Незащищенная БР-содержащая пленка разрушается при длительном (20 мин) воздействии температуры >40С, а защищенная – сохраняет свои строение и свойства при нагревании до 70С и способна восстанавливать свойства после нагрева до 90С. Толщина адгезионного слоя составляет ≈0,4 мкм. Пленка наносится поверх БР-содержащего слоя на центрифуге при 8000 об/мин и затем отверждается (50С, 10 мин). Установлено, что воздействие на БР-содержащую полимерную пленку экспозиции УФизлучения 3 Дж/см²ведет к снижению чувствительности 10%. Снижение экспозиции УФизлучения в процессе изготовления многослойной структуры достигается частичной полимеризацией слоев. Экспозиция УФизлучения, необходимая для полного отверждения, накапливается по мере полимеризации надстраиваемых слоев. Таким образом, суммарная экспозиция УФизлучения, необходимая для формирования трех полимерных слоев плоского волновода, может быть снижена до ≈1,5 Дж/см².

Материалы, выбранные для формирования граничных (поликарбонатметакрилат или сополимер на основе поликарбонатметакрилата и полиперфторгептилакрилата) и центрального (поливинилкарбазол или полиметилметакрилат) слоев, имеют достаточно высокую разницу значений показателя преломления и удовлетворительную адгезию между слоями.

Решена задача получения в едином конструктиве пленок БР и волноводных слоев с заданным количеством мод. Создана установка для контроля модового состава и эффективности ввода-вывода излучения в многослойных структурах. Модовый состав волноводов (рис. 34) для различных толщин центрального слоя исследовался на  = 530 нм.

Рис. 34. Модовый состав волноводов с толщиной слоя поливинилкарбазола: а) 200 нм; б) 250 нм; в) 400 нм; г) 500 нм; д) 2000 нм.

Подбор комплекса материалов и композиционных составов, удовлетворяющих требованиям по согласованию технологических (отверждение в присутствии фотоинициатора под действием излучения в диапазоне 370410 нм) и функциональных (область чувствительности к записывающему излучению 330–360 нм, фотоиндуцированное возбуждение флуоресценции в пределах 420–460 нм, область флуоресценции – 500–560 нм) спектральных характеристик, обеспечил технологическую совместимость слоев различного назначения и состава структур для 3D оптической памяти. Экспериментально установлено, что вещества класса хромонов демонстрируют наиболее высокую фотоиндуцированную люминесценцию в полиметилметакрилате (ПММА), что определяет материал матрицы для центрального волноводного слоя. На основании этого решена задача по подбору полимерных композиций для граничных волноводных слоев таким образом, чтобы были значительными скачок показателя преломления между слоями, адгезия между полимерами, формирующими слои, а также подходящая вязкость для формирования пленок с контролируемой толщиной. Экспериментально определен оптимальный состав фотополимерной композиции для формирования граничных слоев волновода: олигокарбонатметакрилат (64%, масс), 1Н,1Н-перфторгептилакрилат (35%, масс) и фотоинициатор Darocur 4265 (1%, масс). Данная полимерная смесь позволяет получить скачок в показателе преломления 0,033 по отношению к ПММА, имеет вязкость на уровне  = 1450 мПас, позволяющую формировать пленки толщиной 30–40 мкм без дополнительных технических приспособлений, а применение фотоинициатора Darocur 4265 дает возможность возбуждать процессы фотополимеризации на  = 39520 нм вне области поглощения хромона и позволяет избежать разрушения функционального вещества при формировании граничных волноводных слоев.

Разработанные методы получения БР-содержащих полимерных пленок, планарных волноводов со встроенными дифракционными решетками, слоев на основе синтетических фотохромных соединений применялись в различных сочетаниях для изготовления многослойных структур.

В шестой главе рассмотрены результаты исследований компонентов на основе многослойных структур в составе прототипов устройств и определены их эксплуатационные характеристики.

Исследования компонентов на основе многослойных структур с использованием бактериородопсина. Выполнена экспериментальная оценка ресурса полимерных БР-содержащих пленок в составе многослойных структур для нейросетевой обработки информации; определены эксплуатационные характеристики многослойных структур на основе БР применительно к задачам нейросетевой обработки, защиты ценных бумаг и товарных маркировок от подделки, а также использование БР-содержащих структур в качестве индикаторов уровня солнечной освещенности; рассмотрено применение для информационных систем БР-содержащих слоистых структур в качестве компонентов с голографическими свойствами.

Результаты испытаний БР-содержащих полимерных пленок в многослойных структурах. Исследовано совместное воздействие УФ-излучения и излучения HeNe-лазера на БР-содержащие полимерные пленки. Облучению подвергались образцы, имевшие начальное пропускание ≈20% при λ = 565 нм. В экспериментах по совместному воздействию излучений использовались источник УФ-излучения с Р ≈6 мВт/см² в спектральном диапазоне 310–390 нм и HeNe–лазер непрерывного действия с плотностью мощности, постоянной в течение одного эксперимента и составляющей 50, 100, 200, 300 и 600 мВт/см². Экспозиция УФ-излучения была всегда одинаковой – ≈5 Дж/см². Обнаружено необратимое увеличение оптического пропускания БР с ростом экспозиции излучения лазера от 300 до 3600 Дж/см², составившее от 3 до 7%, соответственно, сверх того, что обусловлено действием только УФ-излучения (≈7%).

Оценка ресурса полимерных БР-содержащих пленок в многослойных структурах. Для исследований длительного воздействия при 2224С лазерного излучения на БР-содержащие полимерные пленки (рис. 35) использовалось излучение с λ = 630 нм и Р ≈0,6 Вт/см² в пятне диаметром 3 мм. Среднее время облучения образца – 7 ч в сутки, что соответствует экспозиции 15 кДж/см². Максимальная экспозиция составила ≈370 кДж/см².

Рис. 35. Изменения пропускания (F) и чувствительности (f) БР-содержащих полимерных пленок при длительном воздействии лазерного излучения.

Изменение на  = 565 нм пропускания и чувствительности к импульсному воздействию излучения HeNe-лазера с Р ≈200 мВт/см² определялись сравнением с необлученным участком исследуемой пленки. Отмечено, что при экспозициях >100 кДж/см² увеличивается пропускание и уменьшается чувствительность. При экспозиции ≈370 кДж/см²(200 ч облучения) пропускание при λ = 565 нм возрастает на ≈30%, а чувствительность падает на ≈50%. При указанной рабочей Р = 25 мВт/см² экспозиция облучения 370 кДж/см², при которой чувствительность уменьшится на 50%, будет достигнута через 4000 час.

Исследовано совместное воздействие излучения НеNе-лазера и нагревания на БР-содержащие полимерные пленки в многослойных структурах. Отмечено, что совместное действие нагрева и излучения лазера вызывает увеличение оптического пропускания БР-содержащих полимерных пленок по сравнению с результатом действия только нагревания. Снижение чувствительности БР-содержащих полимерных пленок на 50% является, по-видимому, предельно допустимым. Эксперименты по исследованию влияния совместно действующих факторов излучения лазера и термического воздействия показали, что уменьшение Р излучения в 10 раз (от 500до 50 мВт/см²) при одинаковой экспозиции облучения снижает разрушающий эффект от воздействия лазерного излучения вдвое. Исходя из того, что средняя плотность мощности излучения, воздействующего на БР-содержащие полимерные пленки в процессе эксплуатации, составляет ≈25 мВт/см² (примерно в 20 раз меньше использованной в эксперименте), допустимая экспозиция излучения в процессе эксплуатации может быть значительно больше экспериментальных 370 кДж/см². Кроме того, БР частично восстанавливает первоначальные свойства по пропусканию и чувствительности после выдержки при температуре 2224С. Все это дает основания считать, что в предполагаемых условиях эксплуатации ресурс БР-содержащих полимерных пленок составит >10⁴час. На основании экспериментальных результатов найдено значение энергии активации E_а = 1,1 ±0,05 эВ для БР-содержащих полимерных пленок на  = 630 нм.

Исследования по определению эксплуатационных характеристик многослойных структур на основе БР применительно к задачам нейросетевой обработки информации. Измеренная длительность фотоиндуцированных фотохромных изменений локальных значений показателя оптического поглощения/пропускания на ≥5% составила 10²–10¹с, что для исследованных образцов, содержащих встроенные в планарные волноводы дифракционные решетки ввода/вывода излучения, формирующие световые фронты (≈5×5 мм²), воздействующие на функциональные БР-содержащие пленки (толщина 50 мкм), обеспечивает формирование функциональных нейроподобных элементов в количестве 10⁴–10⁵ в 1 мм³ при темпе взаимодействия 10⁷–10⁸ связей в секунду.

Исследование макетных компонентов с голографическими свойствами. Оптическое разрешение для пленок БР штамма D96N составило 1000 лин/мм, а для пленок БР в желатиновой матрице – 500 лин/мм. Для сравнительной оценки голографических характеристик макетных элементов на основе БР определялась эффективность самодифракции, т.е. отношение значения мощности света в первом дифракционном порядке к значению суммарной мощности (60 мВт/см²) света интерферирующих лучей. Отмечено, что при равных условиях более высокую эффективность демонстрируют материалы с большими значениями k₅₇₀(t).

характерная кривая временной зависимости.bmp

Рис. 36. Характерная кривая временной зависимости интенсивности излучения, дифрагирующего в первый порядок (1 – момент открытия затвора, 2 – момент закрытия затвора; t_д – время жизни дифракционной решетки).

Установлено, что время жизни динамической дифракционной решетки (длительность сигнала на полувысоте t_д (рис. 36)) уменьшается при увеличении мощности падающих интерферирующих лучей (от 0,3 с при Р = 25 мВт/см² до 0,04 с при Р = 176 мВт/см²). С увеличением плотности мощности время нарастания сигнала (с уровня 0,1 до уровня 0,9) уменьшается от 1 с (при Р = 6 мВт/см²) до 0,085 с (при Р = 60 мВт/см²). В качестве примера применения на пленке БР зарегистрирована голограмма прозрачного объекта (мирры) (рис. 37).

Рис. 37. Восстановленное изображение мирры (после прекращения записи) через: а) 1 с; б) 5 с; в) 10 с; г) 15 с; д) 20 с.

Как следует из динамики изменения контрастности изображения (для лазерного пучка с Р = 5,7 мВт/см²), яркость и контрастность, достаточные для считывания ПЗСкамерой, сохраняются в течение ≈15 с. Также получены голограммы непрозрачных объектов в режиме записи на отражение с тем же характерным временем жизни ≈15 с.

Таким образом, экспериментально подтверждена перспективность использования многофункциональных слоистых структур на основе БР для получения голографических интерферограмм в реальном масштабе времени, предварительной обработки изображений, а также записи, хранения и преобразования данных в информационно–измерительных устройствах и приборах электронной техники.

Исследования по определению эксплуатационных характеристик многослойных структур на основе БР применительно к задачам защиты ценных бумаг и товарных маркировок от подделки выполнялись на специально разработанном и изготовленом макете устройства для автоматической идентификации защитных меток, нанесенных на прозрачную (пластик), зеркально отражающую (металлизированную) или рассеивающую (бумага) основу. Достигнутое время надежного приборного распознавания, в зависимости от композиционного состава БР-содержащего слоя, лежит в диапазоне 1,00,01 с, что обеспечивает соответствие темпу работы серийных аппаратов для счета банкнот. Установлено: для приборных методов определения достаточно пленки толщиной ≈3 мкм, площадью≈1 мм², при расходе БР ≤5 мкг. Экспериментально подтверждена возможность применения композиционных материалов на основе БР в составе штрих–кода, а так же визуальной идентификации.

Исследования по определению эксплуатационных характеристик многослойных структур на основе БР в качестве индикаторов уровня солнечной освещенности. На имитаторе солнечного освещения исследовались макетные образцы, изготовленные в двух вариантах исполнения (на бумажной и стеклянной основах), обеспечивающих возможность сопоставления результатов визуального и приборного методов. Индикатор (рис. 38, 39) представляет собой размещенный на едином носителе набор многослойных структур, обратимо изменяющих цветовые характеристики под воздействием (≈30 с) светового потока, соответствующего солнечному по спектральному составу, со следующими значениями плотности мощности ≤25 Вт/м², ≤50 Вт/м², ≤100 Вт/м², ≤150 Вт/м²и ≤200 Вт/м².


	Рис. 39. Схематическое изображение индикатора на бумажном носителе. 1 – бумажная основа; 2 – клеящая основа; 3 – влагонепроницаемая пленка; 4 –адгезионный слой; 5 – БР-содержащие слои; 6 – вспомогательный слой; 7 – слой ламината.
Рис. 38. Внешний вид индикатора солнечной освещенности.

Соответствие уровню освещенности определяется характерным для каждой композиции значением времени жизни интермедиата М412 и достигается введением соответствующего количества модификатора (Na,K)₂SiO_3-_x. Фотоиндуцированное изменение соотношения концентраций интермедиатов М412 и БР570 приводит к изменению пропускания в полосе 500680 нм. Оптимальные результаты получены на установке PROLAMIC100 при ламинировании (80C, скорость прокатки 37 см/мин) с использованием полиэстера толщиной 175 нм.

Разработка нацелена на создание недорогих надежных легких малогабаритных индикаторов, обеспечивающих оперативную оценку текущего уровня солнечной освещенности и призвана помочь потребителю при подборе солнцезащитного средства.

Исследования компонентов на основе многослойных структур с использованием синтетических фоточувствительных соединений. Выполнена экспериментальная оценка ресурных параметров многослойных структур на основе синтетических фоточувствительных соединений для трехмерной оптической памяти; определены углы ввода излучения в систему волноводов для дифракционных решеток с разным периодом и экспериментально подтверждена возможность независимого ввода излучения в заданные волноводы многослойных структур через дифракционные решетки, расположенные непосредственно друг над другом; определены геометрические параметры огибающей каустики фокусируемого излучения и пороговое значение плотности мощности двухфотонного поглощения используемого для записи материала; осуществлена оптическая запись информации в отдельные слои многослойных структур на основе двухфотонного поглощения; осуществлено параллельное считывание оптической информации из отдельных слоев многослойных структур.

Экспериментальная оценка ресурсных параметров многослойных структур на основе синтетических фоточувствительных соединений для трехмерной оптической памяти. Выполнены ускоренные испытания на безотказность и долговечность предусматривающие форсирование режимов, приводящих к интенсификации физических процессов без изменения основных механизмов отказов. Ускоряющим фактором для большинства механизмов отказов является повышенная температура. В нашем случае, когда стабильность интенсивности люминесценции определяется диффузионными процессами и скоростью химических реакций, разрушающих механизм люминесценции, температура является основным фактором. Из усредненных графиков зависимости интенсивности флуоресценции от времени для хромон-содержащих материалов, хранившихся при температурах 25ºС и 80ºС, получено значение энергии активации E_а≈0,36 эВ и времени деградации (≥3 лет) для комнатной температуры при допускаемом ослаблении интенсивности флуоресценции в два раза.

Экспериментальное определение условий независимого ввода излучения в отдельные заданные волноводы многослойных структур через дифракционные решетки, расположенные непосредственно друг над другом. Экспериментально показано: если угол ввода отличается на 1^о от резонансного для данной дифракционной решетки, интенсивность «паразитного» излучения, проникающего в волноводы, расположенные на пути потока излучения, составляет <0,1% от интенсивности излучения, введенного в адресуемый волновод. В этом случае между углами ввода ≈23^о–53^о с шагом ≈1^о можно разместить ≈30 вариантов дифракционных решеток. Выявленные ограничения по шагу угла ввода и количеству слоев обусловлены отклонением формы практически используемых дифракционных решеток от синусоидальной, что подтверждается данными исследования профиля решеток на АСМ. Применение более совершенных дифракционных решеток позволит многократно увеличить число независимых по углу ввода волноводов. Кроме того, установлено, что увеличение модового состава в волноводе приводит к расширению углового диапазона ввода излучения до нескольких градусов, в связи с этим, применение одномодовых волноводов предпочтительнее.

Определено пороговое значение плотности мощности двухфотонного поглощения излучения на λ = 680 нм для композиционного материала на основе хромона, составившее Р_пор≈3·10⁸Вт/см². Экспериментально установлено, что оптическая система на базе микрообъектива х100 (ЛОМО хв0016) обеспечивает фокусировку излучения лазера в заданный слой с огибающей каустики представленной на рис. 41 и определяет требования к расстоянию между волноводными слоями ≥15 мкм при толщине волноводного слоя порядка 1–2 мкм.

Рис. 41. Геометрические размеры области двухфотонного поглощения: протяженность ≈65 мкм, максимальный (≈30 мкм) и минимальный (≈10 мкм) диаметры.

Оптическая запись информации в отдельные слои многослойных структур на основе двухфотонного поглощения излучения λ = 68010 нм выполнена на образцах в виде системы одномодовых планарных волноводов. Состав центральных слоев – ПММА с показателем преломления 1,594 с добавками хромона (≈2%, масс) при толщине ≤3 мкм, граничные слои толщиной ≈20 мкм образованы полимерной композицией с показателем преломления 1,457. Использован импульсный лазер с перестраиваемой частотой типа LF114 с титан-сапфитровым преобразователем CF125. Выбор слоя осуществляется путем перемещения микрообъектива с шагом 20 мкм по нормали к плоскости многослойной структуры так, чтобы фокус располагался внутри светочувствительного слоя.

На основании экспериментальных данных выполнена оценка достижимых параметров двухфотонной записи. При использовании оптической системы на базе микрообъектива с апертурой 0,70,85, входным диаметром 2 мм, рабочим отрезком (расстояние от поверхности объектива до фокуса) ≥0,5 мм и откорректированного на сферическую аберрацию для λ = 680 нм и оптический путь 0,5 мм в материале с показателем преломления n = 1,5, размеры зоны двухфотонного поглощения составят: диаметр ≈1 мкм, протяженность ≈5 мкм, что обеспечит число слоев записи ≈100.

Считывание оптической информации из отдельных слоев многослойных структур выполнено путем задания угла ввода возбуждающего флуоресценцию излучения, оптимального для соответствующего индивидуального периода дифракционной решетки (12,5° для Λ = 0,4 мкм; 36,0° для Λ = 0,6 мкм; 56,2° для Λ = 0,8 мкм). Излучение лазера ГКЛ50В на λ = 442 нм диаметром 2 мм, плотностью мощности 200 мВт/см² падает на дифракционную решетку, распространяется по волноводу и поглощается молекулами хромона в тех точках, где он в результате записи переведен в состояние способное флуоресцировать (λ_мах= 520 нм). Излучение массива флуоресцирующих точек (рис. 42) отделяется светофильтром и фиксируется фотоприемной матрицей (параллельное считывание).

а)

б)

Рис. 42. Микрофотография (микроскоп МСП1) флуоресцирующих точек (а) и 3Dреконструкция флуоресцентного светового фронта (б).

Разработанный конструктив обеспечивает реализацию также режима двухфотонного последовательного считывания путем фокусировки микрообъективом импульсного излучения с λ = 880 нм в заданную точку функционального слоя, где ранее был записан бит информации. При условии, что плотность мощности сфокусированного излучения в этой точке превышает соответствующее пороговое значение плотности мощности двухфотонного поглощения, возбуждается флуоресценция.

Оценка эксплуатационных характеристик многослойных структур для 3D оптической памяти. Исследование образцов многослойных структур направлено на оценку эксплуатационных характеристик (плотности записи, скорости считывания и геометрических размеров области флуоресцентного считывания данных в параллельном режиме), а также дальнейшую оптимизацию конструкторско-технологических решений. С этой целью разработаны метод и установка для сравнения и отбора функциональных композиционных материалов на основе различных флуоресцирующих соединений, обеспечивающих максимально высокие плотность записи и скорость считывания при ограничении на вероятность ошибочного считывания бита информации W_er<10⁴(без применения специальных алгоритмов коррекции ошибок).

Исследовались образцы, представляющие собой систему планарных волноводов, каждый центральный хромонсодержащий слой которой полностью «засвечен» записывающим излучением λ = 326 нм (лазер ГКЛ-10У, 10 мВт), и таким образом, переведен во флуоресцирующее состояние. С помощью такого образца, меняя коэффициент увеличения оптической системы установки, можно имитировать различные значения плотности записи информации (ρ_и). Использована фотоприемная матрица 2592×1944 на базе камеры PixeLink PL-B778G, имеющая диапазон выдержек 100 мкс—2 с на основе КМОП сенсора Aptina с размером пикселя 2,2 мкм × 2,2 мкм. Для каждого пикселя специальными измерениями определены среднее значение шума и стандартное отклонение, составившие, в частности, для зеленого канала (экспозиция 100 мс), соответственно,

= 10,6 и

= 0,49.

Для ввода считывающего излучения (λ = 442 нм) использован лазер ГКЛ-50В мощностью 50 мВт. Диаметр пучка в точке ввода ≈2 мм, угол падения на дифракционную решетку θ = 50,28^о, плотность мощности ≈200 мВт/см². Позиционирование осуществлялось при помощи трехкоординатной платформы 8МТF2 и поворотной платформы 8М R151-1 фирмы «Standa», Литва. Для подавления фоновой засветки матрицы фотоприемника рассеянным излучением на λ = 442 нм применялся фильтр ЖС18. На рис. 43 представлено цифровое изображение флуоресценции волноводного слоя, содержащего флуоресцирующие продукты фотоперегруппировки хромона, полученное при условии: один записаный логический элемент («0» или «1») проецируется на один пиксель матрицы фотоприемника.

Определены границы области считывания (рис. 43, г), обусловленные, с одной стороны, локализацией фоновой флуоресценции неадресуемых функциональных слоев, через которые проникает возбуждающее излучение, не распространяющееся по адресуемому волноводу (≈200 мкм от края пятна ввода), с другой стороны, уменьшением интенсивности возбуждающего излучения, распространяющегося в адресуемом волноводе, и соответствующим уменьшением интенсивности полезного сигнала флуоресценции до значения, недостаточного, чтобы обеспечить W_er<10⁴. Считая, что регистрируемый сигнал

имеет флуктуации много меньшие, чем собственный шум пикселей матрицы фотоприемника

, условие W_er≤10⁴ может быть представлено в виде:

.

$\\students\d\порошин\даша\рисунок_вариант 13.bmp$

Рис. 43. а) Схематическое изображение процесса флуоресцентного считывания. Распределение интенсивности флуоресценции: 1 зарегистрированное матрицей фотоприемника, 2 вызванной возбуждающим излучением, распространяющимся вне волновода, 3 – вызванной возбуждающим излучением, распространяющимся в адресуемом волноводе; Х₁, Х₂ границы области считывания. б) Флуоресценция образца. в) Трехмерная реконструкция распределения интенсивности флуоресценции, отнесенной к шуму матрицы. г) Область считывания (заштрихована).

Область считывания представляет собой трапецию с высотой 2,0 мм и основаниями 0,8 мм и 0,3 мм, площадью S = 1,1 мм². Для исследованных образцов при времени экспозиции Δt = 100 мс, и площади бита информации ≈2 мкм²получено значение плотности записи ρ_и= 0,5·10⁶ бит/мм². При толщине функционального информационного слоя планарного волновода ≈1 мкм и толщине граничного слоя ≈20 мкм объемная плотность записи – 2,5·10⁷бит/мм³, скорость считывания ≈6·10⁶бит/c.

Анализ полученных результатов позволяет наметить пути повышения эксплуатационных характеристик многослойных структур для 3D оптической памяти. Совершенствование оптической системы записи позволит уменьшить толщину граничных слоев до 5–10 мкм, уменьшить размер записываемого бита до 0,5–1,0 мкм и увеличить объемную плотность записи в 10²–10³ раз. Расчеты показывают, что допустимое повышение Р возбуждающего излучения, введенного в волновод, и обусловленное этим повышение интенсивности флуоресценции приведет к снижению времени экспозиции не менее чем в 10²раз и соответствующему увеличению скорости считывания. Комплекс конструктивных решений, связанных с использованием специализированных фотоприемных матриц, оптимизацией параметров излучения и оптических фильтров, позволят дополнительно увеличить скорость считывания в ≈10 раз.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

	1. Демонстрационные варианты контрольных измерительных материалов Региональный центр обработки информации (рцои) информирует вас о возможностях подготовки выпускников IX и XI (XII) классов образовательных...		Порядок организации и обеспечения безопасности хранения, обработки... Федеральным законом от 27. 07. 2006 №149-фз «Об информации, информационных технологиях и о защите информации»
	«Разработка и применение ппп в экономике» Характеристика существующей организации обработки информации аналогичных задач. 5		Лекция 1 Тема : «Общие понятия. Цель технического учета объектов капитального строительства.» Техническая инвентаризация это система сбора, обработки, хранения и выдачи информации о наличии, составе, местоположении и техническом...
	Дальневосточный федеральный университет (двфу) Электронное строение и свойства кислородсодержащих комплексных соединений и оксидных структур		Методические материалы по подготовке, проведению и обработке материалов... Приемка и учет экзаменационных материалов, не подлежащих автоматизированной обработке в рцои (ппои) 14
	Инструкция о порядке хранения, транспортирования, использования и... Органы внутренних дел осуществляют контроль за соблюдением установленных правил приобретения, хранения и перевозки взрывчатых материалов,...		Анкета эмитента. Список должностных лиц эмитента, имеющих право на... Порядок, правила (способы) регистрации, обработки, хранения и архивирования документов системы ведения реестра владельцев именных...
	Проект регламент Порядок представления, обращения, хранения и обработки информации ограниченного доступа, не содержащей сведений, составляющих государственную...		2. Термины и определения 9 Порядок представления, обращения, хранения и обработки информации ограниченного доступа, не содержащей сведений, составляющих государственную...

Похожие: