авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 8 |

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

-- [ Страница 3 ] --

Требования к композиционному материалу центрального слоя волновода. Предложенные базовые процессы и физико-математическое моделирование определили комплекс требований к функциональным и технологическим характеристикам материалов многослойной структуры для 3D многослойных носителей данных. Область чувствительности к записывающему излучению, обеспечивающему фотоиндуцированный перевод молекул хромона во флуоресцирующую форму, должна лежать в пределах 330–360 нм. В этом случае излучение  360 нм, применяемое в ходе технологического процесса отверждения полимера в присутствии соответствующего фотоинициатора, не вызывает несанкционированных фотоиндуцированных необратимых переходов. Коротковолновая граница определяется зоной поглощения ( <330 нм) материала матрицы центрального слоя планарного волновода. Область чувствительности к считывающему излучению возбуждающему флуоресценцию продуктов фотоперегруппировки хромонов, должна лежать в пределах 420–460 нм, область флуоресценции – 500–560 нм. Полимерная матрица для центрального слоя волновода должна обеспечивать получение оптически однородных полимерных пленок толщиной 1–3 мкм с массовым процентным содержанием (%, масс) хромона 5 и n 1,49 при оптической плотности на  = 442 нм (после перевода хромона в люминесцирующую форму) в пределах 0,01–0,02.

Во второй главе рассмотрены конструктивные принципы создания многослойных структур на основе композитных материалов для компонентов информационных систем, в том числе 3D оптических носителей информации и оптической нейросетевой обработки информации. Предложенные многослойные конструкции, несмотря на различное назначение, обладают сходным набором элементов интегральной оптики (планарные волноводы, встроенные дифракционные решетки), конструктивные характеристики которых рассчитаны по единым методикам. Проведена оценка зависимых от коэффициента преломления параметров волновода (толщина) и дифракционной решетки (период и глубина).

Допустимые толщины волновода h в зависимости от значений n* (n* – эффективный показатель преломления) определялись из решения волноводного дисперсионного уравнения:

,

где k = 22p//l – проекция волнового вектора на ось, совпадающую с направлением распространения света в волноводе; p = 3,14; n1, n2 – показатели преломления граничных слоев и n0 – показатель преломления центрального слоя волновода; m = 1, 2, ... – модовое число волновода. Предельное (критическое) значение толщины hкр для условия одномодового волновода вычислялось по формуле: ... С целью обеспечения контролируемого локального и направленного вывода световой энергии из планарного волновода выполнена оценка распределения интенсивности излучения вдоль дифракционной решетки.

Разработка многослойных структур на основе БР-содержащих сред для формирования устройств нейросетевой обработки информации. Многослойные структуры (рис. 5) включают в себя систему плоских одномодовых волноводов, БР-содержащие полимерные слои, элементы ввода оптического излучения в виде дифракционных решеток, устройство формирования поверхностного светового фронта, модуляторы интенсивности поверхностного светового фронта.

 Рис. 5. Фрагмент многослойной структуры: 1-7 Рис. 5. Фрагмент многослойной структуры: 1 – подложка; 2, 10 – слои, содержащие БР; 3, 5 – граничные слои волновода; 4 – направляющий слой волновода; 6 – зона ввода излучения; 7 – адгезионный слой; 8 – вводимое и 9 – выводимое излучение; 11, 12 – дифракционные решетки вывода и ввода излучения; L – длина дифракционной решетки.

Устройство формирования поверхностного светового фронта (рис. 6) представляет собой одномодовый волновод с дифракционными решетками ввода и вывода излучения и предназначено для распределения световой энергии в БР-содержащих полимерных пленках с целью инициирования процессов параллельного формирования и взаимодействия нейронов. Варьируя период, глубину, длину дифракционных решеток, можно контролировать распределение интенсивности излучения вдоль выводимого в БР-содержащую среду поверхностного светового фронта, а также угол вывода излучения, активируя при этом соответствующие группы нейронов. Значения периодов дифракционной решетки для разных углов ввода-вывода излучения q получены по формуле: sinq1,2 = (n* - N)/n1,2, где n* – эффективный показатель преломления волновода; N = l/L – отношение длины световой волны (l) в вакууме к периоду решетки L; n1,2 – показатели преломления нижнего и верхнего слоев волновода, соответственно.

Модулятор интенсивности поверхностного светового фронта (рис. 7), включающий светоотражающие слои, осуществляет преобразование поверхностного светового фронта для установления начальных состояний параметров нейронов в БР-содержащих полимерных пленках и поддержания локальных обратных связей. Создаваемые модулятором световые потоки проходят через дифракционные решетки других слоев, что позволяет уменьшить расстояние между волноводными слоями до 10 мкм. Расчеты показывают, что в пределах углов, под которыми излучение проходит через дифракционную решетку (q = 2–60°), отражением от дифракционных решеток можно пренебречь (<0,2%), если эти углы на 1°отличаются от резонансных.

 Рис. 6. Устройство формирования-8  Рис. 6. Устройство формирования-9
Рис. 6. Устройство формирования поверхностного светового фронта: 1, 2 – углы вывода излучения;  – период дифракционной решетки; n0, n1, n2 – показатели преломления слоев. Рис. 7. Модуляторы интенсивности поверхностного светового фронта:  – длина волны излучения; I0 – интенсивность излучения.

Проведена оценка перераспределения световой энергии, обусловленного дифракционной расходимостью, для определения расстояний, на которых возможно осуществление взаимодействия между БР-содержащими полимерными слоями без значительного искажения картины распределения интенсивности вдоль светового фронта. Дифракционной расходимостью можно пренебречь на расстояниях <25 мкм, если размер зеркал 2 мкм и они отстоят друг от друга на 2 мкм.

Разработка многослойных структур на основе синтетических органических фотохромных и люминесцирующих соединений для 3D многослойных оптических носителей информации. Рассмотрены многослойные структуры в виде системы планарных волноводов в двух вариантах исполнения: на прямоугольной подложке и на подложке, соответствующей стандартному оптическому диску. Для обеспечения возможности обращения к произвольно выбранной области любого функционального слоя и ввода с этой целью излучения, возбуждающего флуоресценцию, на всей поверхности, разделяющей граничный и центральный слои каждого планарного волновода, размещены синусоидальные дифракционные решетки, каждая со своим индивидуальным периодом ( = 0,40–0,65 мкм). Выбор слоя определяется шагом дифракционной решетки и соответствующим углом ввода излучения.

Конструктив для многослойных структур, выполненных на подложке в форме диска, накладывает дополнительные ограничения на условия эффективного ввода излучения с использованием дифракционных решеток в виде системы концентрических окружностей с убывающим по направлению к центру радиусом и постоянным шагом. Кривой участок решетки (рис. 8) будет вести себя подобно прямому, если фазовые сдвиги будут невелики ( << ). Оценка поперечного размера соответствующей области ввода для  = 0,1 и  = 0,5 мкм дает значение L = 140 мкм при R = 50 мм и L = 60 мкм при R = 10 мм.

Рис. 8. Фрагмент радиального штриха дифракционной решетки. – отклонение от линейности, – угол, определяющий поперечный размер области эффективного ввода L вдоль штриха решетки.

В третьей главе рассмотрены разработка составов и технологических методов получения композитных материалов и отдельных функциональных слоев на их основе, пригодных для формирования компонентов информационных систем, в том числе 3D оптических носителей информации и 3D структур оптической нейросетевой обработки информации.

Подготовка суспензий БР включает предварительную очистку центрифугированием и ультразвуковую обработку (3040 мин, температура 36°С). Повышение однородности размеров достигалось дополнительным центрифугированием (ультрацентрифуга Jouan KR-25i, 12000 об/мин, время 10 мин, температура 10°C), разделением полученных фракций и их последующей гомогенизацией при помощи УЗвоздействия (установка Реут-001, частота 33 кГц, акустическая мощность 52,5 Вт, время 15 мин, температура 3–10°С). Исследования показали, что при рН <4,1 молекулы БР агрегируют, и оптическая прозрачность суспензий не достигается. Установлено, что ультразвуковое воздействие ведет к повышению рН суспензии на 0,20,4. Параметром рН управляли введением буферного 0,01 M раствора N2B4O7·10H2O с рН = 9,18. Получены оптически прозрачные суспензии с концентрацией БР до 15 мг/мл.

Размер частиц, влияющий на рассеяние в суспензиях, оценен с помощью измерения доли рассеянного HeNeлазерного излучения при прохождении через кювету с суспензией с концентрацией БР 5,8·105 М. Концентрация БР рассчитывалась по результатам измерения оптической плотности (спектрофотометр СФ-10) и значению коэффициента экстинкции БР 63000 л/моль·см на  = 570 нм.

Диэлектрическая проницаемость БР 40±3, необходимая для расчета размера частиц, определялась сравнением рассеяния излучения в водной суспензии БР и в суспензии БР на основе смеси воды и глицерина. Рассчитанное по формуле Рэлея характерное значение диаметра частиц лежит в пределах 6,7–6,8 нм (в исходной суспензии 500–1000 нм). Учет несферичности рассеивающих частиц приводит к значению наибольшего их размера 8,7±0,5 нм, которое соответствует минимальному комплексу белков БР. Таким образом, применяемые условия обработки суспензий не разрушают белок БР и обеспечивают оптическое разрешение полученной БР-содержащей среды >5000 лин./мм.

Получение пленок БР. Пленки БР осаждали из суспензий методом электрофоретического осаждения (ЭФО) с использованием специально сконструированной электрохимической ячейки, в которой катодное и анодное пространства разделены катионообменной мембраной. В качестве электродов применялись стеклянная подложка со слоем InSnOx и пластина из Pt (Ni). В экспериментах была использована суспензия, содержащая БР штамма ЕТ1001 и анилин (С6Н5NH2), при полимеризации дающий электропроводящий полимер – полианилин. Время проведения ЭФО рассчитывалось, исходя из заданной в пределах 1020 мкм толщины получаемой пленки БР.

Для изготовления пленок БР методом полива применялись водные суспензии БР штаммов ЕТ1001, 353 и D96N с исходной концентрацией 47 г/л. Для получения пленок с более высокими значениями чувствительности в исходную суспензию вводили модифицирующие химические добавки: тетраборат натрия (Na2B4O7), глутаровый альдегид (С5H8O2), парафенилендиамин (С6H8N2), глицин (С2Н5NO2), изолейцин (С6Н13NO2), лизин (С6H14N2O2). Пленки формировали в боксе (модель 518C, Electro-Tech Systems Inc) в потоке воздуха с контролируемыми температурой (8–35±1°C) и влажностью (20–80±2%). В отдельных случаях для стабилизации относительной влажности на уровне 70% пленки покрывались защитным слоем поликарбонатметакрилата.

Получение оптически однородных прозрачных БР-содержащих полимерных пленок. Предварительно приготавливалась БР-содержащая полимерная смесь добавлением в 5% водный раствор желатины подготовленной суспензии БР. Учитывая, что при температурах <32°С БР агрегирует на молекулах полимера, прозрачные и оптически однородные полимерные смеси получены при температуре смешивания 3435°С и итоговом значении показателя рН смеси суспензии БР и раствора полимера >4,1. После смешивания желатины и БР-содержащей суспензии для введения примесей металлов добавляются водные растворы солей с требуемой концентрацией металлов. В настоящей работе для получения БР-содержащих полимерных пленок с примесями Cu, Ba и Pb использовались соли CuCl2, BaCl2 и Pb(CH3COO)2·3H2O.

БР-содержащие полимерные пленки формировались поливом полимерной смеси при температуре 34–35°С на подложку, нагретую до 35–36°С. Экспериментально установлено, что введение в полимерную смесь этиленгликоля в соотношении 0,025 мл на каждые 100 мг желатины существенно снижает поверхностное натяжение и миграцию БР по объему пленки, увеличивает прочность, пластичность и адгезию.

Получены прозрачные и оптически однородные БР-содержащие полимерные пленки (толщиной 6–14 мкм с оптической плотностью 0,8–1,3 D на  = 570 нм) на подложках из стекла К8 и плавленого кварца на площади до 6048 мм2, а также на Si-пластинах диаметром 76 мм. Установлено, что характерное отклонение толщины от среднего значения получаемых по разработанной технологии БР-содержащих полимерных пленок менее 50 нм на длине 10 мм (<1% при толщине пленки >5 мкм). Отклонение от среднего значения по распределению объемной концентрации БР не превышает 3%.

Для согласования показателей преломления различных слоев измерялись показатели преломления БР, желатины и полимерных БР-содержащих пленок (рефрактометр ИРФ-454Б). Для белого света получено значение n = 1,534±0,002. Показатель преломления желатиновых пленок составил 1,543±0,001. Значения n БР-содержащей желатиновой пленки толщиной 50±10 мкм лежали в пределах 1,539–1,542 в зависимости от концентрации БР.

Синтез гибридных наноструктур и получение функциональных слоев на их основе. Исследовались пути расширения функциональных возможностей композиционных материалов для информационных систем на основе создания гибридных структур, представляющих собой, в общем случае, систему из трех компонентов – коллоидные наночастицы, промежуточные сшивающие (спейсеры) и функциональные фотохромные и флуорофорные молекулы (рис. 9).

Рис. 9. Схематическое изображение фрагмента гибридной наноструктуры

Предложены и экспериментально обоснованы технологические методы синтеза и стабилизации гибридных наноструктур, на основе механизмов специфического связывания и самоорганизации, обеспечиваемых подбором спейсеров с соответствующими функциональными группами. Получены наноструктуры различного состава на базе функциональных молекул БР, синтетических флуорофоров класса феналенонов (рис. 10, а), коллоидных металлических (Au и Ag) и полупроводниковых (CdSe/ZnS ядро/оболочка) наночастиц, с использованием в качестве сшивающих молекул-спейсеров 11-меркаптоундекановой кислоты; аминокислот цистеина, лизина и аргинина; ряда соединений класса алифатических симметричных диаминов; поливинилового спирта и полилизина, а также фотохромных соединений класса дигетарилэтенов (рис. 10, б).

а) б)

Рис. 10. Структурные формулы применяемых в работе феналенона (а) и дигетарилэтена (б).

Предварительная отработка технологических методов выполнена на основе коллоидных наночастиц Au (диаметр в диапазоне 38,5–40,5 нм для 90% частиц, оценены методом фотонно-корреляционной спектроскопии на установке PhotoCor Complex), полученных методом восстановления водорастворимых соединений Au боргидридом натрия с последующим концентрированием на центрифуге Jouan-KR25i. Использовались молекулы-спейсеры (1,6диаминогексан, 1,7диаминогептан, 2,5диаминопентановая кислота), в составе которых присутствуют свободные алифатические аминогруппы, способные эффективно взаимодействовать как с молекулами БР, так и поверхностью наночастиц. Функционализация поверхности наночастиц осуществлялась диализом суспензии против водного раствора (5103–6103 молекул-спейсеров на 1 наночастицу), одновременно удалялись непрореагировавшие в процессе синтеза наночастиц компоненты, разрушающие молекулы БР. Затем, при постоянном перемешивании в систему добавлялась суспензия БР из расчета 1 молекула БР на 1 молекулу-спейсер. Установлена стабильность полученных гибридных наноструктур в составе суспензии в течение >4-х лет.

Успешное формирование гибридных наноструктур демонстрирует сравнение данных исследований методами атомносиловой микроскопии (АСМ) и спектрометрии пленок, полученных из суспензии. Смещение положения максимума поглощения, характеризующего разобщенные наночастицы Au, с 520 нм до 610 нм свидетельствует о формировании кластерной структуры (рис. 11). В спектре поглощения пленки гибридных наноструктур Au – 1,6-диаминогексан – БР присутствуют только полосы поглощения отдельных компонентов на =520 нм и  = 570 нм. Таким образом, наличие БР в составе гибридной наноструктуры препятствует агрегации наночастиц, что подтверждается исследованиями методом АСМ (рис. 12).

 Рис. 11. Поверхность пленки наночастиц-14  Рис. 11. Поверхность пленки наночастиц-15
Рис. 11. Поверхность пленки наночастиц Au–1,6диаминогексан (АСМ). Рис. 12. Поверхность пленки гибридных наноструктур Au 1,6диаминогексан БР.


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 8 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.