Відмінності анізотропних оптико-механічних ефектів у фоточутливих полімерах та аморфних халькогенідних матеріялах

Проведено порівняльну аналізу прояву різних оптико-механічних ефектів в аморфних полімерних та халькогенідних матеріялах. Розглядаються можливості практичного використання даних ефектів при створенні нанорушіїв різних типів....

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2009
Hauptverfasser:	Іваницький, В.П., Ковтуненко, В.С., Кришеник, В.М., Трунов, М.Л., Куницький, Ю.А., Сперкач, С.О.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2009
Schriftenreihe:	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/76813
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Відмінності анізотропних оптико-механічних ефектів у фоточутливих полімерах та аморфних халькогенідних матеріялах / В.П. Іваницький, В.С. Ковтуненко, В.М. Кришеник, М.Л. Трунов, Ю.А. Куницький, С.О. Сперкач // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 4. — С. 1075-1087. — Бібліогр.: 38 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-76813
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-768132015-02-13T03:01:54Z Відмінності анізотропних оптико-механічних ефектів у фоточутливих полімерах та аморфних халькогенідних матеріялах Іваницький, В.П. Ковтуненко, В.С. Кришеник, В.М. Трунов, М.Л. Куницький, Ю.А. Сперкач, С.О. Проведено порівняльну аналізу прояву різних оптико-механічних ефектів в аморфних полімерних та халькогенідних матеріялах. Розглядаються можливості практичного використання даних ефектів при створенні нанорушіїв різних типів. The comparative analysis of various optomechanical effects in amorphous polymeric and chalcogenide materials is carried out. Possibilities of practical application of these effects to design different types of nanoengines are considered. Проведен сравнительный анализ проявления различных оптико-механических эффектов в аморфных полимерных и халькогенидных материалах. Рассматриваются возможности практического применения данных эффектов при создании нанодвигателей разных типов. 2009 Article Відмінності анізотропних оптико-механічних ефектів у фоточутливих полімерах та аморфних халькогенідних матеріялах / В.П. Іваницький, В.С. Ковтуненко, В.М. Кришеник, М.Л. Трунов, Ю.А. Куницький, С.О. Сперкач // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 4. — С. 1075-1087. — Бібліогр.: 38 назв. — укр. 1816-5230 PACS numbers: 42.70.Gi,42.70.Nq,61.41.+e,61.43.Dq,78.20.Fm,78.20.hb,82.35.Ej http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/76813 uk Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
description	Проведено порівняльну аналізу прояву різних оптико-механічних ефектів в аморфних полімерних та халькогенідних матеріялах. Розглядаються можливості практичного використання даних ефектів при створенні нанорушіїв різних типів.
format	Article
author	Іваницький, В.П. Ковтуненко, В.С. Кришеник, В.М. Трунов, М.Л. Куницький, Ю.А. Сперкач, С.О.
spellingShingle	Іваницький, В.П. Ковтуненко, В.С. Кришеник, В.М. Трунов, М.Л. Куницький, Ю.А. Сперкач, С.О. Відмінності анізотропних оптико-механічних ефектів у фоточутливих полімерах та аморфних халькогенідних матеріялах Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
author_facet	Іваницький, В.П. Ковтуненко, В.С. Кришеник, В.М. Трунов, М.Л. Куницький, Ю.А. Сперкач, С.О.
author_sort	Іваницький, В.П.
title	Відмінності анізотропних оптико-механічних ефектів у фоточутливих полімерах та аморфних халькогенідних матеріялах
title_short	Відмінності анізотропних оптико-механічних ефектів у фоточутливих полімерах та аморфних халькогенідних матеріялах
title_full	Відмінності анізотропних оптико-механічних ефектів у фоточутливих полімерах та аморфних халькогенідних матеріялах
title_fullStr	Відмінності анізотропних оптико-механічних ефектів у фоточутливих полімерах та аморфних халькогенідних матеріялах
title_full_unstemmed	Відмінності анізотропних оптико-механічних ефектів у фоточутливих полімерах та аморфних халькогенідних матеріялах
title_sort	відмінності анізотропних оптико-механічних ефектів у фоточутливих полімерах та аморфних халькогенідних матеріялах
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
publishDate	2009
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/76813
citation_txt	Відмінності анізотропних оптико-механічних ефектів у фоточутливих полімерах та аморфних халькогенідних матеріялах / В.П. Іваницький, В.С. Ковтуненко, В.М. Кришеник, М.Л. Трунов, Ю.А. Куницький, С.О. Сперкач // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 4. — С. 1075-1087. — Бібліогр.: 38 назв. — укр.
series	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
work_keys_str_mv	AT ívanicʹkijvp vídmínnostíanízotropnihoptikomehaníčnihefektívufotočutlivihpolímerahtaamorfnihhalʹkogenídnihmateríâlah AT kovtunenkovs vídmínnostíanízotropnihoptikomehaníčnihefektívufotočutlivihpolímerahtaamorfnihhalʹkogenídnihmateríâlah AT krišenikvm vídmínnostíanízotropnihoptikomehaníčnihefektívufotočutlivihpolímerahtaamorfnihhalʹkogenídnihmateríâlah AT trunovml vídmínnostíanízotropnihoptikomehaníčnihefektívufotočutlivihpolímerahtaamorfnihhalʹkogenídnihmateríâlah AT kunicʹkijûa vídmínnostíanízotropnihoptikomehaníčnihefektívufotočutlivihpolímerahtaamorfnihhalʹkogenídnihmateríâlah AT sperkačso vídmínnostíanízotropnihoptikomehaníčnihefektívufotočutlivihpolímerahtaamorfnihhalʹkogenídnihmateríâlah
first_indexed	2025-07-06T01:09:36Z
last_indexed	2025-07-06T01:09:36Z
_version_	1836857873236230144
fulltext	1075 PACS numbers: 42.70.Gi, 42.70.Nq, 61.41.+e, 61.43.Dq, 78.20.Fm, 78.20.hb, 82.35.Ej Відмінності анізотропних оптико-механічних ефектів у фоточутливих полімерах та аморфних халькогенідних матеріялах В. П. Іваницький, В. С. Ковтуненко, В. М. Кришеник, М. Л. Трунов, Ю. А. Куницький , С. О. Сперкач Ужгородський національний університет, вул. Підгірна, 54, 88000 Ужгород, Україна *Технічний центр НАН України, вул. Покровська, 13, 04070 Київ, Україна Проведено порівняльну аналізу прояву різних оптико-механічних ефе- ктів в аморфних полімерних та халькогенідних матеріялах. Розгляда- ються можливості практичного використання даних ефектів при ство- ренні нанорушіїв різних типів. The comparative analysis of various optomechanical effects in amorphous polymeric and chalcogenide materials is carried out. Possibilities of practical application of these effects to design different types of nanoengines are con- sidered. Проведен сравнительный анализ проявления различных оптико-механи- ческих эффектов в аморфных полимерных и халькогенидных материа- лах. Рассматриваются возможности практического применения данных эффектов при создании нанодвигателей разных типов. Ключові слова: оптико-механічні ефекти, аморфні матеріяли, халько- генідні матеріяли, фоточутливі полімери. (Отримано 1 вересня 2009 р.) 1. ВСТУП Одним із важливих напрямків розвитку сучасних наносистем є ство- рення ефективних нанорушіїв, тобто пристроїв, здатних здійснюва- Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2009, т. 7, № 4, сс. 1075—1087 © 2009 ІМФ (Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України) Надруковано в Україні. Фотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 1076 В. П. ІВАНИЦЬКИЙ, В. С. КОВТУНЕНКО, В. М. КРИШЕНИК та ін. ти переміщення «робочих» органів на нанометрові віддалі. Для де- яких фоточутливих некристалічних матеріялів властиво виявляти оптико-механічні (фотомеханічні) ефекти, коли льокальні перетво- рення на молекулярному рівні відображаються в макроскопічних рухах (деформаціях) чи реверсивних змінах розмірних (геометрич- них) характеристик чутливих до оптичних полів тіл. За певних умов з використанням цих ефектів можливо досягти ефективного пере- творення світлової енергії в механічну роботу. Прояв різноманітних оптико-механічних ефектів та спричинених світловою дією макро- скопічних зміщень речовини здавна спостерігався в полімерних ма- теріялах, збагачених чутливими до світла молекулярними утворен- нями типу азобензенів. Ще в 1966 р. Меріан повідомляв [1], що полі- мерні вироби, до структури яких впроваджено азобарвники, стягу- ються під дією світлового опромінення. Приблизно тоді ж Айзейба- хом продемонстровано існування оптико-механічного ефекту в азо- бензенових хромофорах [2]. Під впливом ініціюючого зміни світла з області резонансного вбирання хромофорів виявляли фотостиску- вання матеріялу на рівні 0,25%. Розрізняють два основні процеси, які здатні виявити себе в опти- ко-механічних властивостях азобензенмістячих полімерних сере- Рис. 1. Фотографічні зображення реверсивної за характером фотоіндукова- ної деформації азобензенмістячих рідкокристалічних полімерних плівок під дією лінійно-поляризованого ультрафіолетового (λ = 366 нм, потужність сві- тлового потоку P = 3,5 мВт⋅см−2) та видимого (λ = 540 нм, P = 24,2 мВт⋅см−2) випромінення з різним напрямкомполяризації (світла стрілка) [4]. АНІЗОТРОПНІ ЕФЕКТИ У ПОЛІМЕРАХ ТА ХАЛЬКОГЕНІДНИХ МАТЕРІЯЛАХ 1077 довищ [3]: а) реорієнтаційні перетворення чи зміна геометрії для певних льокальних структурних фраґментів полімерної атомової сітки відносно напрямку, ортогонального до поляризаційного век- тору світлових хвиль; б) фотоініційоване зменшення рівня впоряд- кованости в полімерних рідких кристалах внаслідок досягнення фазового переходу. Характер стимульованої світловою дією зміни форми вільних не- кристалічних азобензенмістячих полімерних плівок (АПП) безпо- середньо відображений в анізотропії наведених у них механічних напружень. Це особливо виразно виявляється у взаємодіях фоточу- тливого матеріялу з випроміненням, що має неоднорідні розподіли характеристик світлового поля у поздовжніх і (або) поперечних на- прямках щодо спрямування ініціюючого зміни оптичного потоку [4, 5]. Однак, в [4, 20] було продемонстровано, що у функціоналізо- ваних азобарвниками фоточутливих полімерних середовищах та в аморфних плівках системи As—Se з тривалою дією однорідних зов- нішніх світлових потоків поряд з перетвореннями на молекулярно- а б в г Рис. 2. Фотографічні зображення реверсивної фотоіндукованої деформації аморфної плівки As2Se3 під дією лінійно-поляризованого видимого (λ = 540 нм) випромінення (риски вказують напрям поляризації ініціюючого світ- лового потоку) [20]. 1078 В. П. ІВАНИЦЬКИЙ, В. С. КОВТУНЕНКО, В. М. КРИШЕНИК та ін. му рівні можуть виникати особливо вражаючі анізотропні макро- деформації чи зміни форми (рис. 1 та рис. 2). Характер створюва- них при цьому деформацій (викривлень та скручувань) матеріялу можливо контролювати вибором (зміною) параметрів поляризації оптичного променя. Водночас найбільш сильні та швидкі фото- механічні відгуки одержують при взаємодії лінійно-поляризовано- го лазерного променя з плівками азобензенмістячих полімерних рідких кристалів (АПРК) [5]. Як в АПП, так і в АПРК відповідні ефекти виявляються інтенсивно навіть при кімнатній температурі. Поведінка цих двох типів полімерних матеріялів при фіксованому поляризаційному стані ініціюючого зміни лазерного випромінення відрізнялась не тільки за величиною, але й знаком фотоіндукованої деформації. В АПРК, як правило, спостерігають відчутне фотости- скування вздовж поляризаційного напрямку світлових хвиль, тоді як для некристалічних АПП характерним є альтернативний ефект фоторозтягу в тому ж напрямку [6, 7]. У аморфних плівках халько- генідів (АПХ) при аналогічних умовах ініціюються, як правило, стискальні механічні напруження вздовж напрямку коливань еле- ктричного вектора оптичних хвиль. Це робить їх поведінку анало- гічною до виявленої в АПРК. Надалі основну увагу зосередимо на факті виявлення виразних кореляцій в характері фотомеханічного відклику АПП типу pDR1M та АПХ системи As—Se під впливом поляризованого оптич- ного випромінення. Умовно розділимо відповідно спостережені ве- кторні явища на первинні оптико-механічні ефекти (ПOME) [6—9] та вторинні оптико-механічні ефекти (ВOME) [10, 11]. 2. ПЕРВИННІ ОПТИКО-МЕХАНІЧНІ ЕФЕКТИ ПOME безпосередньо виявляються в експериментах як швидке й тимчасове стискування або розтягнення мікроконсолі з аморфним покриттям під дією поляризованого світлового опромінення. Таким змінам властиво мати реверсивний характер, якщо забезпечити пе- ріодичне змінювання поляризаційних характеристик ініціюючих світлових хвиль у двох ортогональних напрямках, що лежать у пло- щині консолі. Ключовою особливістю ПОМЕ для аналізованих нами матеріялів є близькість динаміки наведення тимчасових деформа- ційних змін для актуатора-мікроконсолі з кінетикою одночасно створюваної реверсивної складової оптичної анізотропії (двопроме- неве заломлення чи фотодихроїзму) [8, 9]. Зокрема, часові залежно- сті характеристичних параметрів як оптико-механічного ефекту, так і явища фотодихроїзму, при опроміненні помірним за інтенсивністю когерентним поляризованим світлом з области власного вбирання, добре описуються квазиекспоненційною залежністю Кольрауша— Вільямса—Вата [9]. АНІЗОТРОПНІ ЕФЕКТИ У ПОЛІМЕРАХ ТА ХАЛЬКОГЕНІДНИХ МАТЕРІЯЛАХ 1079 Належить наголосити на одній дуже важливій закономірності. Для некристалічних АПП та АПХ виявилася стійка тенденція де- монструвати в ПOME протилежний (інверсний) характер поведін- ки. Це означає, наприклад, що при помірній інтенсивності ініцію- ючого зміни поляризованого світлового потоку у площині плівок для таких матеріялів фіксується в напрямку поляризації розтяг чи стискування, відповідно. Натомість в аналогічних експеримента- льних умовах переважна більшість АПРК [13] і AПХ [9] демон- струють однотипну поляризаційно залежну поведінку, що виявля- ється в чітких збігах експериментальних характеристик. Аналізовану ситуацію істотно прояснили експерименти [11]. Там у якості оптично активованої консолі (актуатора) було використано короткий відрізок оптичного волокна із полімера PMMA, однорідно модифікованого барвником DR1 у кількості ∼ 1% відносної концент- рації. Лінійно-поляризоване лазерне випромінення (λ = 633 нм) вво- дили в закріплений торець світловода таким чином, щоб не допусти- ти повного суміщення променя з віссю полімерного волокна. За та- ких умов у процесі фотостимульованих перетворень виявляли тим- часові деформації (вигинання) вільного кінця волокна. Прецизійно- му контролю підлягали як відносні зміни довжини, так і величини деформаційних відхилень окремого волоконного актуатора. Найважливіші результати досліджень ПOME в полімерних ма- теріялах типу pDR1M зводяться до наступного [6, 8]. – Під впливом лінійно-поляризованого світла низької інтенсив- ности в полімерній матриці наводяться реверсивні (тимчасові) де- формації у формі розтягальних механічних напружень вздовж по- ляризаційного напрямку активуючих світлових хвиль, поєднані з незначними квазистискальними (або слаборозтяжними) механіч- ними напруженнями в ортогональному напрямку. – При згаданих експериментальних умовах результуючий від- носно слабше виражений ПОМЕ вважається результатом фотонаве- дених змін у фоточутливому середовищі, коли визначальними мо- жуть виявитися виявлені дипольні взаємодії між структурними фраґментами атомової сітки, аніж включення механізму їх інтен- сивних кооперативних переміщень. – Під дією лінійно-поляризованого світла значної інтенсивности (зокрема й під впливом потужних короткочасних лазерних імпуль- сів) досягали помітно більших реверсивних деформацій полімерної матриці з наведенням стискальних механічних напружень вздовж поляризаційного напрямку ініціюючих зміни оптичних мод. У [8] саме цю особливість ефекту пов’язали з пружніми за природою процесами колективних перегрупувань молекуль. Їх кінцевим ре- зультатом стають динамічні перерозподіли пружніх сил та помітні взаємоузгоджені конформаційні перетворення. Тоді можливо ви- явитися взаємозв’язку між динамічним процесом переорієнтації 1080 В. П. ІВАНИЦЬКИЙ, В. С. КОВТУНЕНКО, В. М. КРИШЕНИК та ін. хромофорів та нельокальними пружніми взаємодіями в аморфній полімерній матриці. Прийнявши до уваги результати робіт [14—17], можна передба- чити, що подібно до плівок АПП, і для AПХ зі зміною режимів світ- лового випромінення також можливо досягти порогової інверсії в експериментальних характеристиках ПOME, наприклад, через різ- ке зростання інтенсивности ініціюючого світлового поля. У такому випадку очікується заміщення стискальних напружень (слабкоін- тенсивне випромінення з області власного вбирання матеріялу) на розтягальні механічні напруження вздовж поляризаційного на- прямку активуючого зміни світлового потоку (високоінтенсивне випромінення зі спектральної ділянки Тауцових «хвостів» вбиран- ня). На таку можливість вказують результати досліджень оптико- механічних ефектів в аморфних плівках селену [14], де спостеріга- ли розтягальні напруження вздовж поляризаційного напрямку сві- тлового поля. Зважимо, що в умовах експерименту температура цих плівок виявилася доволі наближена до температури розм’як- шення. 3. ВТОРИННІ ОПТИКО-МЕХАНІЧНІ ЕФЕКТИ Історично першими демонстраціями ефекту ВOME вважаються ви- явлені в АПП типу pDR1M далекомасштабні фотостимульовані пе- реміщення матеріялу, кінцево відображені в тій чи іншій формі де- формації його поверхні [13, 18, 19]. Виявлене різноманіття конфі- ґурацій виникаючих поверхневих рельєфних структур під впливом когерентного світлового випромінення з періодичною зміною інтен- сивности або поляризаційних характеристик вздовж поверхні опро- міненого зразка, істотно ускладнює інтерпретацію природи спосте- реженого ефекту. Схожі за характером неоднорідні анізотропні по- верхневі фотодеформації, в яких досягали просторових зміщень структурних частинок матеріялу на майже мікронні віддалі, згодом виявили і в АПХ As2Se3 [14—17]. У ВОМЕ кінцево відтворюється все та ж важлива закономірність, що і в ПОМЕ: протилежно альтерна- тивний тип поведінки для аморфних плівок азобензенових некрис- талічних полімерів і АПХ (анізотропно виражений розтяг чи стис- кування відповідно) при однаковому характері для більшости азо- бензенмістячих АПРК та АПХ (фотостискування). Досить показовими й зручними для інтерпретації є результати до- сліджень ВOME, в яких забезпечували взаємодію з оптичними поля- ми однорідних зовнішніх світлових потоків чутливого аморфного матеріялу, де для кращої візуалізації ефекту попередньо створюва- лися макронеоднорідності поверхневого рельєфу (подряпини). Для аналізованих речовин вперше в такій формі ефект ВOME за вказаних умов світлової дії досліджено незалежно Караґеоргієвим та ін. [10] і АНІЗОТРОПНІ ЕФЕКТИ У ПОЛІМЕРАХ ТА ХАЛЬКОГЕНІДНИХ МАТЕРІЯЛАХ 1081 Труновим [11]. В цих експериментах для аморфних плівок на основі полімера pDR1M та халькогенідного матеріялу As20Se80 з довготри- валою неперервною дією поляризованого когерентного випромінен- ня вдалося виявити доволі незвичну анізотропну поведінку (рис. 3 та рис. 4). Взаємодія однорідного лінійно-поляризованого випромінен- ня з матеріялом аморфних плівок вела до великомасштабного попе- речного переміщення (фотодеформації) речовини в області подряпи- ни на віддалі в кілька мікрон. Кінетика фотостимульованого пере- міщення матеріялу, яке невпинно тривало впродовж десятка годин світлового опромінення, суттєво відрізнялася від динаміки швидко- го переходу плівки у фотонасичений стан при наведенні/стиранні реверсивної складової оптичної анізотропії. Визначальною для ВOME може вважатися наведена поляризова- ним світлом у площині плівки стало присутня сила, якою задається анізотропний (векторний) характер виникаючих у структурно не- однорідному аморфному середовищі фотопружніх взаємодій. У ро- боті [10] даний векторний ефект для АПП pDR1M пояснено дефор- маційним переміщенням аморфної матриці на межі створених не- однорідностей поверхні, через що просторова позиція окремих мо- лекуль на межі подряпини (макронеоднорідности) задається трива- лістю дії слабоінтенсивного когерентного поляризованого світла. В такому фотоіндукованому переміщенні молекулярних утворень чі- тко фіксується своєрідна анізотропія масштабного «транспорту- вання маси через фоторозширення» вздовж поляризаційного на- прямку світлових хвиль у площині плівки, що належить площині плівки (див. рис. 3). У шарах АПХ типу As0.2Se0.8 за аналогічних умов у векторному молекулярному переміщенні виявляється ефект протилежного ха- рактеру (рис. 4) [11]. а б в г Рис. 3. Поляризаційно залежне фотостимульоване перенесення речовини в АПП pDR1M [10]: (а) початковий стан, де дві перпендикулярні канавки створені з використанням можливостей SEM-літографії в попередньо не- опроміненій плівці; вигляд ділянки поверхні плівки після 30 (б), 150 (в) та 195 (г) хвилин опромінення світлом (λ = 532 нм, P = мВт⋅см−2. Стрілкою показано орієнтацію E-вектора оптичного променя, Zmax вказує максима- льний перепад висот на поверхні плівки. 1082 В. П. ІВАНИЦЬКИЙ, В. С. КОВТУНЕНКО, В. М. КРИШЕНИК та ін. Звертає на себе увагу, що в АПП pDR1M на краях подряпини під впливом когерентного поляризованого світла з часом формується поверхневий рельєф, орієнтований паралельно до електричного ве- ктору світлових хвиль. Процес створення періодичної структури йде у супровід триваючого розтягнення канавки в ортогональному напрямку (рис. 3, б—г). В АПХ так само з певним часовим запізнен- ням ініціюється формування такого ж характерного поверхневого рельєфу, зорієнтованого перпендикулярно до електричного вектора світлового поля. У цьому випадку подібний рельєф починає форму- ватися вже після досягнення помітного звуження відповідної кана- вки (рис. 4, б—г). 4. АНАЛІЗА МЕХАНІЗМІВ, ВІДПОВІДАЛЬНИХ ЗА ПОМЕ ТА ВОМЕ В АМОРФНИХ МАТЕРІЯЛАХ Аналізовані експериментальні результати вказують на чітку аси- метрію (переважаючу просторову спрямованість) інтеґрального пружнього відгуку аморфного середовища на дію поляризованого світлового випромінення. Цей відгук є наслідком комплексних трансформацій аморфної матриці у процесі стимульованих поляри- зованим світловим полем льокальних структурних перетворень не- впорядкованої атомової сітки. Для пояснення векторного перемі- щення речовини в АПП на атомовому рівні запропоновано значну кількість теорій та модельних уявлень. Основними із них є такі: Асиметричний дифузійний модель [12], в основі якого лежать процеси фотоізомерізації хромофорів (рис. 5), чим стимулюється асиметричний рух молекуль барвника вздовж їх молекулярних осей. В результаті напрямок переносу речовини задається вихідною а б в г Рис. 4. Фотостимульоване переміщення речовини у свіжоосадженій аморф- ній плівці As20Se80 (товщина ∼ 2 мкм) [11]: (а) початковий стан двох перпен- дикулярних канавок у неопроміненій плівці, вигляд ділянки поверхні піс- ля 5 (б), 12 (в) і 16 годин (г) опромінення несфокусованим однорідним ліній- но-поляризованим жмутом (d ∼ 2 мм) лазера (λ = 633 нм і P = 60 мВт⋅см−2). Стрілкою показано орієнтаціюE-вектора оптичного променя. АНІЗОТРОПНІ ЕФЕКТИ У ПОЛІМЕРАХ ТА ХАЛЬКОГЕНІДНИХ МАТЕРІЯЛАХ 1083 дипольною орієнтацією молекуль та їх статистично розупорядко- ваним рухом. Недоліком цього моделю є нехтування впливом жорс- ткого полімерного оточення, яке накладає значні обмеження на мо- лекулярну дифузію. Моделі міґрації речовини, спричиненої ефектами фотодеґрадації та термічного випаровування на ділянці опромінення [21]. Такі мо- делі не здатні передбачити появи векторних ефектів. Модель ізомерізаційного тиску [22], де береться до уваги значна концентрація фраґментованих фоточутливих утворень у полімері, в околі яких з’являються льокальні ґрадієнти тиску. При засвічу- ванні відбувається розростання популяції цис-форми хромофорів (рис. 5) та трансформація конфіґурацій атомової сітки з утворенням так званого додаткового вільного об’єму при відповідно виникаю- чих механічних напруженнях у вигляді ґрадієнту тиску. Даний мо- дель не дозволяє однозначно врахувати вплив на ВОМЕ поляриза- ційного стану світлових хвиль, щоб пояснити виявлені в експери- ментах характерні особливості масоперенесення (деформації пове- рхні). Моделі, які розглядають взаємодії між електричним полем світ- лових хвиль і поляризаційно чутливими структурними елемента- ми, що формуються у фоточутливому матеріялі [23—26]. Ці моделі коректно описують окремі поляризаційно визначені особливості дифузного переміщення молекуль, але не здатні пояснити цілого ряду експериментально спостережуваних особливостей ВОМЕ. Модель усереднення внутрішніх сил [27], в рамках якого орієн- тація і переміщення хромофорів є результатом їх взаємодії та взає- много притягання. Цей модель більш придатний для розгляду фо- точутливих полімерів, оскільки передбачає фотостимульоване створення мікрокристалічних утворень. При врахуванні специфіч- них властивостей азобензенмістячих полімерів даний модель може виявитись зручним для пояснення фотостимульованого впорядку- 9,0 Å N p 5,5 Å N hν hν′, k B T N N òðàíñ öèñ Рис. 5. Структура молекуль азобензену та їх ізомерізаційні перетворення. 1084 В. П. ІВАНИЦЬКИЙ, В. С. КОВТУНЕНКО, В. М. КРИШЕНИК та ін. вання диполярних хромофорів. Моделі, які базуються на розгляді в’язко-пружньої поведінки азо- бензенових полімерів через зміну динаміки внутрішньої плинности аморфного середовища під впливом стимулюючого опромінення [28— 31]. В результаті, у присутності електромагнетного поля виникає внутрішня сила, яка діє на диполі в полімерній матриці, створюючи поверхневі механічні напруження. Останні розглядають як рушійну силу для фотостимульованого переміщення частинок речовини. Такі моделі надійно описують поляризаційну поведінку азобензенових полімерів. Однак розрахунки показують, що згадана сила є замалою (щонайменше на два порядки величини), щоб забезпечити спостере- жувані перетворення [32]. Особливо це стосується аналізи можливо- сті оптичного формування поверхневого рельєфу під впливом поту- жного імпульсного опромінення поляризованими лазерними проме- нями. Цілком аналогічний модель, яким враховується динамічна плинність середовища, запропоновано Танакою [14] для пояснення стимульованих ефектів фоторозширення й макроскопічної анізотро- пної деформації, виявлених недавно в АПХ. Основний рушійний мо- тив, яким диктується хід стимульованих перетворень, виводиться Танакою з вивільнення й перерозподілу сил та запасеної енергії в околі шаруватих елементів структур з вираженою орієнтацією, що сприяє зменшенню механічної в’язкости середовища. Жодний з перерахованих моделів не описує в повній мірі фото- стимульоване переміщення матеріялу на льокальних рівнях і не виявляє повного узгодження з експериментом. Звертає на себе увагу запропонована в [33] термодинамічна (ент- ропійна) теорія, яка враховує зменшення ентропії при фотостиму- льованій переорієнтації азобензенових хромофорів. У компенсацію такого зменшення ентропії під впливом опромінення у вихідних ізотропних взірцях можуть виникати розтягальні напруження вздовж поляризаційного напрямку діючого світла. Таким чином, в основі ентропійної теорії закладено тісний зв’язок між набутою орі- єнтацією хромофора та пружньою деформацією поверхні плівок аморфних полімерів. Використавши результати досліджень [34], здійснених методами конфокальної мікроскопії комбінаційного ро- зсіяння світла та сканівної оптичної мікроскопії ближнього поля з ґенерацією другої гармоніки, в роботі [33] обґрунтовано визнача- ються можливі напрямки переміщення полімерних ланцюжків при реалізації ВОМЕ. Відзначимо, що окрім універсальности запропо- нованого підходу, ентропійна теорія виявляє добре узгодження з експериментальними даними. Актуальним завданням є пояснення закономірностей фотомехані- чного відгуку також і в AПХ. На жаль, на сьогодні для даних матері- ялів відсутні відповідні моделі, які враховували б особливості пруж- ньо-пластичних льокальних перетворень та специфіку симетрії пев- них структурних фраґментів в їх атомовій сітці. Окремою причиною АНІЗОТРОПНІ ЕФЕКТИ У ПОЛІМЕРАХ ТА ХАЛЬКОГЕНІДНИХ МАТЕРІЯЛАХ 1085 цього є нестача достатньо повних експериментальних структурних даних про природу та будову анізотропних структурних фраґментів в АПХ. Відповідно стає важко скористатися підходами ентропійної теорії для прогнозування найбільш важливих деталей структурних перетворень в АПХ, які зумовлюють векторні ефекти в них. Відмітимо, що ентропійний модель і у випадку АПП залишає не до кінця з’ясованим ключове питання про природу тієї анізотропної рушійної сили, що стало виявляє себе з тривалим фотозбудженням аморфного середовища у оптико-механічних ефектах. Авторами [33] наголошувалось, що для АПП у стаціонарному стані фотозбу- дження поява механічної рушійної сили є очікуваною через ство- рюваний надлишок позитивного вільного об’єму, який може спри- чинити ефект розширення матеріялу. Структурною основою даного ефекту є той факт, що з кожним елементарним актом ізомерізацій- них перетворень полімерної сітки в процесі переходу азобензенових молекуль від транс- до цис-форми додається приблизно 0,12 нм 3 ві- льного об’єму внаслідок інверсної трансформації азо-зв’язку [35] і 0,28 нм 3 вільного об’єму через обертові трансформації навколо да- ного хемічного зв’язку [36]. Тому під впливом когерентного поля- ризованого світла анізотропне стискування матеріялу вздовж від- повідного орієнтаційного напрямку вдається одержати лише в тому випадку, якщо фотоактивні молекулярні фраґменти масово пере- ходитимуть до більш компактної цис-форми. Більше того, така си- туація можлива при існуванні домінуючої просторової орієнтації даних молекулярних фраґментів, створюваної поляризованим світ- лом. Оскільки почергові фотоізомерізаційні цикли створюють над- лишок вільного об’єму, то сам процес оптико-механічних перетво- рень АПП може оцінюватись як такий, що має супроводжуватися фоторозм‘якшенням полімерного матеріялу під резонансним впли- вом випромінення незначної (помірної) інтенсивности. У з’ясуванні важливої проблеми, – природи створюваної поляри- зованим світлом в азобензенових полімерах або АПХ анізотропної механічної сили, – значне просування дають результати роботи Та- наки [20], де враховується роль світлового тиску, наведеного неодно- рідними світловими полями в некристалічному середовищі [37, 38]. 4. ВИСНОВКИ В аморфних полімерних та халькогенідних матеріялах реалізуєть- ся цілий спектр фотостимульованих оптико-механічних ефектів, які супроводжуються загальним переміщенням нанозразків або пе- ренесенням речовини зразка в його льокальних областях. Для одних оптико-механічних ефектів характерна однотипність переміщення матеріялу в полімерних і халькогенідних аморфних матеріалах, а для інших ефектів спостерігаються суттєві відміннос- 1086 В. П. ІВАНИЦЬКИЙ, В. С. КОВТУНЕНКО, В. М. КРИШЕНИК та ін. ті поведінки полімерних та халькогенідних матеріялів. Використання оптико-механічних ефектів є перспективним для створення нанорушіїв поступного і обертового руху різного типу на основі аморфних полімерних та халькогенідних матеріялів. ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА 1. E. Merian, Textile Research Journal, 36: 612 (1966). 2. C. D. Eisenbach, Polymer, 21: 1175 (1966). 3. H. Finkelmann, E. Nishikawa, G. G. Pereira, and M. Warner, Phys. Rev. Lett., 87: 015501 (2001); M. H. Li, P. Keller, B. Li et al., Adv. Mater., 15: 569 (2003); M. Camacho-Lopez, H. Finkelmann, P. Palffy-Muhoray, and M. Shelley, Na- ture Mat., 3: 307 (2004); M. Warner and L. Mahadevan, Phys. Rev. Lett., 92: 134302 (2004). 4 Y. Yu, M. Nakano, and T. Ikeda, Nature, 425: 145 (2003); T. Ikeda, M. Nakano, Y. Yu et al., Adv. Mater., 15: 201 (2003); Y. Yu, M. Nakano, T. Maeda et al., Mol. Cryst. Liq. Cryst., 436: 1235 (2005); C. J. Barrett, Jun-ichi Mamiya, K. J. Yager, and T. Ikeda, Soft Matter, 3: 1249 (2007). 5. N. Tabiryan, S. Serak, X.-M. Dai, and T. Bunning, Optics Express, 13, No. 19: 7442 (2005). 6. D. Bublitz, M. Helgert, B. Fleck et al., Appl. Phys. B: Lasers Opt., 70: 863 (2000). 7. H.-F. Ji, Y. Feng, X. H. Xu et al., Chem. Commun., 22: 2532 (2004). 8. S. Bian, D. Robinson, and M. G. Kuzyk, J. Opt. Soc. Am., B23: 697 (2006). 9. P. Krecmer, A. M. Moulin, R. J. Stephenson et al., Science, 277: 1799 (1997); M. Stuchlik, P. Krecmer, and S.R. Elliott, Photo-Induced Metastability in Amorphous Semiconductors (Ed. A. V. Kolobov) (Winheim: Wiley-VCH: 2003); M. Stuchlik and S. R. Elliott, J. Non-Cryst. Solids, 357: 1799 (2007). 10. P. Karageorgiev, D. Neher, B. Schulz et al., Nature Mat., 4: 699 (2005). 11. M. L. Trunov, V. S. Bilanich, and S. N. Dub, J. Non-Cryst. Solids, 353: 1904 (2007). 12. P. Lefin, C. Fiorini, and J.-M. Nunzi, Pure Appl. Opt., 7: 71 (1998). 13. S. Tripathy, D.-Y. Kim, L. Li, and J. Kumar, Appl. Chem., 70, No. 6: 1287 (1998); N. K. Viswanathan, D.-Y. Kim, S. Bian et al., J. Mater. Chem., 9: 1941 (1999); J. A. Delaire and K. Nakatani, Chem. Rev., 100: 1817 (2000); K. G. Yager and C. J. Barrett, Curr. Opin. Solid State Mater. Sci., 5: 487 (2001); A. L. Natansohn and P. Rochon, Chem. Rev., 102: 4139 (2002); O. N. Oliveira, Jr., J. Kumar, L. Li, and S. K. Tripathy, Photoreactive Organic Thin Films (Eds. Z. Sekkat and W. Knoll) (Amsterdam: Elsevier Science: 2002); Z. Sekkat, Opt. Commun., 229: 291 (2004); R. H. El Halabieh, O. Mermut, and C. J. Barrett, Pure Appl. Chem., 76, No. 7—8: 1445 (2004); C. Cojocariu and P. Rochon, Pure Appl. Chem., 76, No. 7—8: 1479 (2004); K. G. Yager and C. J. Barrett, J. Photo- chem. Photobiol., A182: 250 (2006). 14. K. Tanaka and H. Asao, Jpn. J. Appl. Phys., 45, No. 3A: 1668 (2006); H. Asao and K. Tanaka, J. Appl. Phys., 102: 043508 (2007). 15. A. Saliminia, T. V. Galstian, and A. Villeneuve, Phys. Rev. Lett., 85, No. 19: 958 (2000). 16. K. E. Asatryan, S. Frédérick, T. Galstian, and R. Vallée, Appl. Phys. Lett., 84: 1626 (2004). АНІЗОТРОПНІ ЕФЕКТИ У ПОЛІМЕРАХ ТА ХАЛЬКОГЕНІДНИХ МАТЕРІЯЛАХ 1087 17. K. E. Asatryan, T. Galstian, and R. Vallee, Phys. Rev. Lett., 94: 087401 (2005). 18. N. K. Vishwanathan, D.-Y. Kim, S. Bian et al., J. Mater. Chem., 9: 1941 (1999). 19. P. Rochon, E. Batalla, and A. Natansohn, Appl. Phys. Lett., 66: 136 (1995); D. Kim, S. Tripathy, L. Lian, and J. Kumar, Appl. Phys. Lett., 66: 1166 (1995); N. C. R. Holme, L. Nikolova, S. Hvilsted et al., Appl. Phys. Lett., 74: 519 (1999); M. Helgert, L. Wenke, S. Hvilsted, and P. S. Ramanujam, Appl. Phys. B: Lasers Opt., 72: 429 (2001); O. Yaroshchuk, T. Sergan, J. Lindau et al., J. Chem. Phys., 114, No. 12: 5330 (2001); F. Lagugné-Labarthet, T. Buffeteau, and C. Souris- seau, Phys. Chem. Chem. Phys., 4: 4020 (2002). 20. K. Tanaka, Appl. Phys. Express, 1: 012006 (2008). 21. C. J. L. Constantino, R. F. Aroca, J. A. He et al., Appl. Spectrosc., 56: 187 (2002); K. G. Yager and C. J. Barrett, J. Chem. Phys., 120: 1089 (2004). 22. C. Barrett, A. Natansohn, and P. Rochon, J. Phys. Chem., 100: 8836 (1996); C. Barrett, P. Rochon, and A. Natansohn, J. Chem. Phys., 109: 1505 (1998). 23. J. Kumar, L. Li, X. Jiang et al., Appl. Phys. Lett., 72: 2096 (1998). 24. N. K. Viswanathan, S. Balasubramanian, L. Li et al., Jpn. J. Appl. Phys., 38: 5928 (1999). 25. S. Bian, J. M. Williams, D. Y. Kim, L. Li et al., J. Appl. Phys., 86, No. 8: 4498 (1999). 26. O. Baldus and S. J. Zilker, Appl. Phys.: Laser Opt., B72, No. 4: 425 (2001). 27. T. Pedersen, P. Johansen, N. Holme et al., Phys. Rev. Lett., 80: 89 (1998); I. Naydenova, L. Nikolova, T. Todorov et al., J. Opt. Soc. Amer., 15: 1257 (1998). 28. K. Sumaru, T. Yamanaka, T. Fukuda, and H. Matsuda, Appl. Phys. Lett., 75: 1878 (1999). 29. D. Bublitz, B. Fleck, and L. Wenke, Appl. Phys.: Laser Opt., B72: 931 (2001). 30. K. Yang, S. Yang, and J. Kumar, Phys. Rev. B, 73: 165204 (2006). 31. D. Barada, T. Fukuda, M. Itoh, and T. Yatagai, Jpn. J. Appl. Phys., 45: No. 1B: 465 (2006). 32. M. Saphiannikova, T. Geue, O. Henneberg et al., J. Chem. Phys., 120, No. 8: 4039 (2004). 33. M. Saphiannikova and D. Neher, J. Phys. Chem., B109: 19428 (2005). 34. F. Lagugné-Labarthet, J.-L. Bruneel, T. Buffeteau et al., Phys. Chem. Chem. Phys., 2: 5154 (2000); F. Lagugné-Labarthet, J.-L. Bruneel, V. Rodriguez, and C. Sourisseau, J. Phys. Chem., B108: 1267 (2004); F. Lagugné-Labarthet, J.-L. Bruneel, T. Buffeteau, and C. Sourisseau, J. Phys. Chem., B108: 6949 (2004); F. Lagugné-Labarthet, C. Sourisseau, R. D. Schaller et al., J. Phys. Chem., B108: 17059 (2004). 35. T. Naito, K. Horie, and I. Mita, Macromolecules, 24: 2907 (1991). 36. L. Lamarre and C. S. P. Sung, Macromolecules, 16: 1729 (1983). 37. A. Ashkin and J. Dziedzic, Phys. Rev. Lett., 30: 139 (1973). 38. M. Mansuripir, Optics Express, 12: 5375 (2004); S. M. Barnett and R. Loudon, J. Phys.: At. Mol. Opt. Phys., 39: S671 (2006).

Відмінності анізотропних оптико-механічних ефектів у фоточутливих полімерах та аморфних халькогенідних матеріялах

Institution

Ähnliche Einträge