научная статья по теме ФОТОРЕФРАКТИВНЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИТЫ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОГО ДИАПАЗОНА НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК Химия

Текст научной статьи на тему «ФОТОРЕФРАКТИВНЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИТЫ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОГО ДИАПАЗОНА НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК»

ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, 2007, том 41, № 4, с. 311-318

ПРОЦЕССЫ И МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ОПТИЧЕСКИХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

УДК 541.64:5375

ФОТОРЕФРАКТИВНЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИТЫ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОГО ДИАПАЗОНА НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК

© 2007 г. А. Д. Гришина*, Л. Я. Перешивко*, L. Licea-Jimenez**, Т. В. Кривенко*, В. В. Савельев*, R. W. Rychwalski**, А. В. Ванников*

*Институт физической химии и электрохимии им. АН. Фрумкина Российской академии наук

119991, Москва, Ленинский просп., 31 E-mail: van@elchem.ac.ru

**Department of Materials Science and Engineering, Chalmers University of Technology, SE-41296 Göteborg, Sweden

E-mail: rodney.rychwalski@ me.chalmers.se Поступила в редакцию 11.09.2006 г.

Измерены полевые зависимости фототока, коэффициента двухлучевого фоторефрактивного усиления и постоянной времени формирования дифракционной решетки в полимерных композитах из ПВК и одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ) 0.26 мас. % в условиях одноквантового возбуждения ОУНТ под воздействием непрерывного излучения лазера длиной волны 1550 нм. Углеродные нанотрубки ответственны за электронное оптическое поглощение этих композитов вплоть до ~2000 нм. Оцененная по фототоку зависимоsсть квантовой эффективности образования подвижных носителей заряда от электрического поля E0 совпадает с ходом кривой, рассчитанной по уравнению Онзагера до степени (E0)4, при квантовом выходе термализованных электрон-дырочных пар П0 = 0.07 и расстоянии между зарядами в паре r0 = 9.8 Ä. Анализ фоторефрактивных характеристик показал, что дополнительное введение фуллерена Сб0 3 мас. % в композит из ПВК, ОУНТ 0.26 мас. % приводит к двукратному увеличению коэффициента двухлучевого усиления. В композите из ПВК, ОУНТ 0.26 мас. % и Сб0 3 мас. % при постоянном поле Е0 = 140 В/мкм коэффициент двухлучевого усиления лазерного луча 1550 нм и разность между коэффициентами усиления и поглощения составляют соответственно Г = 32 см-1 и Г - а ~ 27 см-1.

Настоящая статья посвящена анализу фотоэлектрических и фоторефрактивных (ФР) свойств композитов на основе поливинилкарбазола (ПВК) и одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ) при действии лазера длиной волны 1550 нм. Ранее было установлено [1-3], что электронное оптическое поглощение ФР полимерных композитов на основе ОУНТ распространяется до 2000 нм. Лазерное излучение 1550 нм широко используется в процессах оптической передачи информации, поэтому одной из важных задач является разработка устройств для коррекции и усиления информационных лазерных лучей этого диапазона. Использование для этой цели ФР полимерных слоев позволяет заменить сложное оптоэлектронное устройство и является перспективным направлением для разработки. Фоточувствительность широко разрабатываемых ФР пластифицированных полимерных композитов охватывает, как правило, видимую область, но ее удалось распространить до 975 нм благодаря применению в качестве сенсибилизатора инфракрасного красителя [4]. В композитах на основе этого красителя ФР-эффект при 1550 нм достигнут в результате использования мощного фемтосекундного лазера, обеспечивающего двух-фотонное поглощение на этой длине волны [5].

Коэффициент усиления при 1550 нм в условиях двухфотонного возбуждения сенсибилизатора составил 20 см-1 при E0 = = 96 В/мкм (коэффициент поглощения при 1550 нм равен нулю) [5]. Имеется единственная работа [6], в которой синтезирован полимерный гибридный материал на основе лестничного полимера с упаковкой этилкарбазола между фенильными группами полимера, оптическое поглощение которого распространяется до 1600 нм. Авторы использовали пластифицированный материал и обычный способ измерения ФР-эффекта с применением лазера непрерывного действия длиной волны 1550 нм, обеспечивающего одноквантовое возбуждение композита. Получен коэффициент оптического усиления Г = 40 см-1, превосходящий коэффициент поглощения в слое а = 30 см-1 на Г- а = = 10 см-1 (Г - а - полезный коэффициент усиления).

Как известно, ФР-эффект измеряется на голо-графической установке, в которой два пересекающихся лазерных луча создают интерференционную и смещенную относительно нее фазовую дифракционную решетки (рис. 1). В фоточувствительном полимерном слое в области конструктивной интерференции двух лучей (рис. 1, сплошные линии в полимерном слое) происходит фотообразование пар носителей заряда, затем следуют их разделение,

'А \ h

1 Л', т. \e0 АИг /1Л ■ м V \ ' г-ЧГ^ 1 ■ 1 \ ' . 1 \ 1

-V +V - \

\ V;

12 \ \

Рис. 1. Ячейка для измерения фоторефрактивного эффекта. Полимерный слой 1 помещен между прозрачными электродами из ITO. 11 и 12 - интенсивности входного и выходного луча 1 и 2 соответственно. Сплошными линиями внутри слоя отмечено положение ярких интерференционных полос. Пунктирными линиями показано положение максимумов модуляции коэффициента преломления Дп (фазовой дифракционной решетки). Показан пример, когда дырочная подвижность больше, чем электронная, и дифракционная решетки смещена на фазу -у или на +у при отрицательном или положительном потенциале на выходном электроде соответственно.

дрейф в поле Е0 и захват в глубокие ловушки. Разде-леннные захваченные электроны и дырки формируют периодическое поле пространственного заряда Е,с. Поляризация в периодическом поле Еш = Е0 + Е,с присутствующих в слое нелинейных оптических хромофоров обеспечивает периодическую модуляцию показателя преломления, т.е. формирование фазовой дифракционной решетки.

ФР-эффект возникает только в том случае, если электроны и дырки имеют разную подвижность и до захвата на ловушках смещаются на различные расстояния от места генерации (ярких интерференционных полос). В этом случае амплитуда поля пространственного заряда и, следовательно, максимумы модуляции показателя преломления Дп (штриховые линии на рис. 1) смещены относительно интерференционной картины на расстояние Дх, или на фазу у = 2пДх/Л, где Л - период решетки. В большинстве полимерных материалов дырки более подвижны, чем электроны, и при показанной на рис. 1 геометрии смещение решетки на фазу -у относительно ярких интерференционных полос возникает при отрицательном потенциале на нижнем (выходном) электроде.

Отличительной особенностью настоящей работы является то, что в ней используется непла-стифицированный ПВК ("ЛЫгюЬ", температура стеклования около 200°С), в котором "заморожено" хаотическое распределение хромофоров, полученное при поливе слоев из раствора. В этих

условиях только нелинейная объемная восприимчивость третьего порядка, %(3), имеет ненулевое значение, т.е. дифракционная решетка возникает только за счет электронной поляризуемости третьего порядка. В этих слоях амплитуда периодической модуляции показателя преломления дается соотношением:

An = (2n/n)%(3)(Etot)2. (1)

Впервые такой подход к получению ФР полимерных материалов был предложен нами в работе [7]. Электронная молекулярная поляризуемость у имеет исчезающе малое значение в случае некрупных дипольных хромофоров, используемых при ориентационной поляризации в пластифицированных слоях. Поляризуемость у и, следовательно, объемная восприимчивость третьего порядка %(3) = = Ny/5, увеличивается в соответствии с зависимостью у = l2 4 ± 0 2 с ростом l - длины системы сопряженных связей (или области делокализации электронного возбуждения) и достигает значительных величин для наноразмерных хромофоров. Поэтому разработка композитов на основе полимеров с высокой температурой стеклования потребовала использования наноразмерных нелинейных оптических хромофоров (таких как углеродные нано-трубки [1-3], J-агрегаты цианиновых красителей [7, 8], супрамолекулярные агрегаты комплексов рутения [9]). Эти наноразмерные структуры служили также спектральными сенсибилизаторами композитов к ближней ИК-области [1-3, 8, 9].

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Измерение ФР-характеристик проводили в ячейке, показанной на рис. 1. Полимерный композит (1) помещался между электродами из прозрачной проводящей пленки ITO (In2O3 : Sn), нанесенной на стеклянную подложку. Для снижения инжекции дырок из анода на поверхность ITO напыляли пленку Al2O3 толщиной несколько нанометров. Способ очистки ОУНТ (CarboLex USA) от примесей (остатков катализатора) подробно изложен в работе [3]. При получении композитов ОУНТ сначала диспергировали в тетра-хлорэтане в течение 30 мин, используя ультразвуковой диспергатор УЗДН-А. Затем добавляли раствор ПВК ("Aldrich") в тетрахлорэтане, смешивали и вязкую смесь вновь подвергали 5-минутной ультразвуковой обработке. Сразу после этого раствор поливали на поверхность пленки Al2O3 и затем растворитель испаряли при повышенной температуре (около 60°С) с целью сокращения времени формирования твердого полимерного слоя.

Оптические спектры полимерных слоев записывали на спектрофотометре "Shimadzu UV-3101PC". При измерении фототока полимерный слой помещался между двумя электродами. ITO был использован в качестве положительного

электрода. В качестве отрицательного электрода применяли пасту коллоидального серебра диаметром ~3 мм. Измеряли темновой ток (до включения света) а также суммарный ток у = + урЬ при освещении образца со стороны прозрачного электрода. Фототок оценивали по разности7рЬ = у -уа после достижения стационарного значения суммарного тока. При измерении фототока и ФР-эффекта был использован лазер длиной волны 1550 нм, диаметр каждого из падающих на слой лучей составлял 3 мм. При измерении фототока интенсивность входного луча была равна 10 = 0.850 Вт/см2. При измерении ФР-эффекта этот луч разделялся на два луча с равной интенсивностью 11 = 12 = 0.425 Вт/см2. Использованы слои толщиной С = 5.5, 11 и 30 мкм. Эти толщины отвечают критерию ) = (пЬХ/Л2п) = = 3.6; 7.1 и 19.4 соответственно. Здесь Ь = С/еоз ф -оптический путь лучей в полимерном слое (ф = 45° -угол наклона биссектрисы лучей к поверхности полимерного слоя, см. рис. 1), Л = Х/(2пзт9) = = 3600 нм - период дифракционной решетки при X = 1550 нм, п = 1.6 и 9 = 7.5° (где 9 - половина угла между лучами). При приведенных значениях ) реализуется брегговское отражение части излучения от фазовой дифракционной решетки, а не дифракция Рамана-

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком