lb膜的制備及其在光學(xué)中的應(yīng)用

1、應(yīng)用光學(xué) J ． Ap p l i e dOp t i c s文章 編號 ： 1 0 0 2 —2 0 8 2 ( 2 0 0 4 ) 0 1 —0 o 5 2 一O 3L B膜 的制備及其在光學(xué) 中的應(yīng)用 王 文 軍 ， 劉 金 鳳 ( 聊城大學(xué) 物理 系 ， 山東 聊城 2 5 2 0 5 9 )摘 要 ：介紹 L B膜的研究歷史 、 特點(diǎn) 、 制備 方法及其在光學(xué) 中 的應(yīng) 用 。 分析 了影響成膜 質(zhì)量的 因素 。 指 出 了L

2、 B膜在光 學(xué) 領(lǐng)域的應(yīng)用前 景 。關(guān)鍵 詞 ： L a n g mu i r — B l o d g e t t 膜 ； 單分 子膜 ； 應(yīng) 用 中圖分類號 ： TB 4 3 ； 04 3 —3 9文獻(xiàn)標(biāo)識碼 ： APr e p a r a t i v eM e t h o d sa n dAp p l i c a t i o n so fLa n g m u i r - Bl o d g e t tFi l m si nt h eO

3、p t i c a lFi e l dWANG We n - j u n，L I UJ i n — f e n g( De p a r t me n to fP h y s i c s ， Li a o c h e n gUn i v e r s i t y，S h a n d o n g2 5 2 0 5 9。 Ch i n a )Ab s t r a c t ： I nt hi sp a p e r ， t h er e s e

4、a r c hh i s t o r y，d e p o s i t i o nme t h o d s。c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ea p p l i c a t i o n so fLBf i l msi nt h eo p t i c a lf i e l da r ei n t r o d u c e d ． Th ef a c t o r st h a th a v ee f

5、f e c to nt h eq u a l i t yo ff i l m d e p o s i t i o na r ea n a l i z e d ． Th ep r o s p e c to ft h eLBf i l m 。wh i c hwi l lb eu s e di nt h eo p t i c a lf i e l d， i sp o i n t e do u t ．Ke y wo r d s ： LBf i

6、 l ms ；mo n o l a y e rf i l m ；a p p l i c a t i o n s引 言 L a n g mu i r — B l o d g e t t 膜 ( 簡 稱 L B膜 ) 技 術(shù) 是 一 種 精確控制薄膜厚度和分子排列的單分子膜沉積技術(shù) ，即在水氣界 面上將不溶 解的成膜材料分子加 以緊密 有序的排列 ， 形成單分子膜 ， 然后再轉(zhuǎn)移到 固體襯底 上 的制 膜技 術(shù) 。人們研究L B膜的歷史可以

7、追溯到很遠(yuǎn) 。 早在 1 8世 紀(jì)就 有關(guān) 于 L B膜 研究 的記 錄口 ] 。到2 0 世紀(jì)2 0 年代 ， L a n g m u i r 首先制成 了單層分 子膜并把它轉(zhuǎn)移到了固體襯底上 ] ； 1 0 余年后 ， 他的 學(xué)生B l o d g e t t 實(shí)現(xiàn) 了多層膜的連續(xù)轉(zhuǎn)移[ 3 ] 。 但 由于當(dāng)時(shí) 的成 膜 材 料 為 惰 性 分 子 硬 脂 酸 ( 帶 1 8個 碳 的飽 和 脂肪酸) ， 在很大程度上限制了L

8、B膜功能的開發(fā) ， 以致 于 L B膜 的研 究 少 有 人 問 津 。6 0年代 初 ， H． Ku h n首先用L B膜技術(shù)通過單分子膜的組裝構(gòu)造分子有機(jī) 體 系 ， 并首 次把具有活性的長鏈 雙親性分 子引入到 L B膜 ， 使 L B膜成 為具 有 某 種功 能 的超 分子 膜 ] 。這 對 L B膜的研究產(chǎn)生了劃時(shí)代的影響 。從 8 0年代起 ， 人們 已能利用L B技術(shù)巧妙地把各 種 不 同功 能 的分 子 組裝 成 有 復(fù)

9、雜 功 能 的LB膜 。作 為 一 種新 技術(shù) ， L B膜 及 L B技 術(shù)在 微分 子學(xué) 、 信息 科 學(xué) 、 生物學(xué)等高技術(shù)方面有著廣泛 的應(yīng)用前景 。我國在這一方面的研究已取得了許多可喜的成果 。L B膜具有諸 多優(yōu)點(diǎn) ： ( 1 )L B膜有序超薄 ， 能在 分子水平上 ( 納米級) 控制其結(jié)構(gòu)和物理、 化學(xué)性能 ；( 2 )可實(shí)現(xiàn)分子排列組合 ， 組建超分子結(jié)構(gòu)和超微復(fù) 合 材料 ； ( 3 )可在常溫常壓下形成 ， 需要

10、的生成能量 少且不破壞高分子結(jié)構(gòu) ； ( 4 )可有效地利用 L B膜分 子 自身的組織能力形成新的化合物 。從實(shí)用 角度看 ， L B膜是 目前人們所 能制備 的最 綴密 、 缺陷最少的超分子薄膜 ， 它在作為絕緣膜 、 介質(zhì) 材料 、 潤滑劑 、 光刻組滯劑 、 傳感器的敏感元件和非線 性光學(xué)材料 、 光信息存儲材料等方面有很大的應(yīng)用前 景 ， 吸引了許多公 司加入到L B膜的開發(fā)行列 。2制備方 法 2 ． 1 成膜 材 料 用

11、于 制備 L B膜 的典 型 材料 具 收稿 日期 ： 2 O O 2 —1 2 一O 2作者簡 介 ： 王 文軍 ( 1 9 6 2 一 ) ， 男 ， 山東 煙 臺人 ， 聊城 大學(xué)物 理系教授 ， 2 0 0 1年 7月 獲復(fù)旦 大學(xué)物理 系光學(xué) 專業(yè)博 士學(xué)位 ， 主要 從事 激光技術(shù) 、 非線性光學(xué) 及其超快過 程的研究 。維普資訊 http://www.cqvip.com · 5 4·應(yīng)用光學(xué) 2 0 0

12、 4 ． 2 5 ( 1 )王 文軍 ． 等 ： L B膜 的制備及其 在光學(xué) 中的應(yīng)用( d ) 是典型的Y 型交替 L B膜結(jié)構(gòu)示意圖。2 ． 5 影 響成 膜 質(zhì)量 的 因素 制 備 L B膜對環(huán)境的要求很高， 需要完全控制氣 氛 、 溫度和濕度。L B膜生長過程中對防震要求很高 ，水槽通常放置在具有良好減震效果的平臺上 。 空氣需 要清潔， 特別是要避免有機(jī)氣體物質(zhì)對生長環(huán)境 ， 尤 其 是對 空 氣 的污 染 。水 的質(zhì)量是制

13、備 L B膜的關(guān)鍵 。 水必須是經(jīng)過過 濾后 去 離子 的超 純水 ， 其 電阻率 在 2 OC時(shí)應(yīng) 不 小 于 1 8MQ · c m。因此 ， 所用水必須經(jīng)p y r e x 玻璃容器多次 蒸餾 ( 一般至少要蒸餾 3 次) ， 其 中有一次加高錳酸鉀 進(jìn)行 氧化 。此外 ， 水 的P H值還需通過離子含量進(jìn)行 控制和調(diào)節(jié) 。通常條件下 ， 水表面張力的標(biāo)準(zhǔn)值在 2 5C時(shí)為 7 2 ． 0mN／ m。在L B膜 的形成

14、過 程 中 ， 對 溶 劑 的選 擇也 很 重 要 。在溶液中加入十六 ( 碳 ) 烷及八 ( 碳 ) 烷可調(diào)節(jié)水面上 的單分子膜形成或壓縮過程中功能分子構(gòu)筑 的速度 ，改變整個膜 中聚集體及二級結(jié)晶的大小和形狀。另外 ， 擦洗載片和槽是 日常工作 ， 必須有一套嚴(yán) 格的操作規(guī)程 ， 應(yīng)根據(jù)需要選取 高純度 的不 同清洗 劑 ， 并 且對 不 同材 料 用 不 同 的方 法 ， 否 則就 會 因忽 視 某些環(huán)節(jié)而使試驗(yàn) 在較長時(shí)間 內(nèi)出

15、現(xiàn)一些不易找出原 因的差 錯 。3 結(jié)構(gòu) 與性能的檢測 L B膜組裝的完整性 、 均勻性、 重復(fù)性、 厚度等性 能可以用多種方法進(jìn)行在線測量 以及成膜鑒定 。 常見 的方 法 有 光 譜 法 、 頻 率 法 、 電 容 法 ， 這 里 不 再 一 一 贅 述 。L B膜 的結(jié)構(gòu) 特性 有 多種 分 析方 法 。 如X 射 線 、 電 子 和 中子衍 射 、 拉 曼散 射 、 傅 里 葉紅外 光譜 、 掃描 隧 道 顯微鏡以及原子顯微鏡等

16、 。4 在光 學(xué) 中的應(yīng)用 L B膜 的物理性質(zhì)隨其化學(xué)成分與含量 、 分子結(jié) 構(gòu) 、 合成路線 以及組裝排列順序 的不 同而不 同， 經(jīng)過 功 能優(yōu) 化 以后 ， 顯 示 出某 些 獨(dú)特 的 力學(xué) 、 熱 學(xué) 、 電學(xué) 和 光學(xué) 特 性 。L B膜在光學(xué) 領(lǐng)域 的應(yīng)用非常廣泛 。例如， 將 有 源 的 L B膜發(fā) 射 層夾 在 兩層 電 能轉(zhuǎn) 移層 之 間構(gòu) 成 3層 異 構(gòu) 體 ， 可保 證 光 發(fā) 射 的持 續(xù) 進(jìn) 行 ， 能 用

17、 于 平 板 彩 色 顯示[ 5 ] 。 利用L B膜技術(shù)將電子給體層 ， 光敏染料體層 和電子受體層依次排列， 或者把具有這 3 個功能的分 子團(tuán)用 C H鍵相接形成L B膜 ， 就構(gòu)成一個分子電池 ，可 以吸 收普 通 環(huán) 境 下 的漫散 射 光 ， 將 6 7的光 能轉(zhuǎn)換 為電能等。L B膜 在 光 電探 測 器 、 光 電 池 、 光 電開 關(guān) 、 光 電 信 息存儲 、 光合作用 的處理與模擬 、 非線性 光學(xué)材料 的構(gòu)成等方

18、面有誘人 的前景。下面簡要介紹L B膜在光 信息記 錄與存儲 、 非線性光學(xué)材料兩方面的應(yīng)用。4 ． 1光 信 息記 錄 與存儲 材 料 有 一種 L B膜能象太陽鏡一樣光致變色 ， 制做這 種 膜 的成 膜材 料 具 有光 色 互變 性 能 ， 如螺 吡 喃 。如 果 用不同的光 色互變材料制成 多層交替 L B膜 ， 然后用不同的光源激發(fā) ， 那么這種 L B膜就會記錄并存儲 多種光信號 ， 成為高密度并行多信號光記錄存儲器 。除

19、了光 致 變 色 L B膜 ， 實(shí) 際應(yīng) 用 中還 有 一 些 電致 變色和熱致變色 L B膜 ， 它們都有著非常廣泛的應(yīng)用 前景 。4 ． 2 非 線 性光 學(xué) 材料 光信息處理、 光通訊 和集成光學(xué)都與非線性光學(xué) 有 關(guān) 。非 線性 光 學(xué) L B膜 已用 于纖 維 波 導(dǎo)材 料 的外 涂 層 ， 其最終 目標(biāo)是作為光計(jì)算機(jī) ( 第 5 代計(jì)算機(jī) ) 的光 學(xué) 雙穩(wěn) 態(tài) 器材 料 。如今光纖通信發(fā)展迅速， 光計(jì)算機(jī)對非線性光學(xué) 的研

20、 究顯 得 十分 重 要 。因?yàn)楦?效 的非 線 性光 學(xué) L B膜 有可能做成各種特殊器件 ， 如頻率轉(zhuǎn)換 器、 參量放 大 器 、 開關(guān)和調(diào)制器等， 這些器件的工作過程全部采用 光學(xué)方法而無須經(jīng)過電一 光轉(zhuǎn)換 ， 使高速大信息量 的數(shù)據(jù)處理在 膜 中一次并 行完成 ， 給光計(jì)算 機(jī)打下基 礎(chǔ)。 目前 ， 非線性光學(xué)薄膜主要是 由無機(jī)材料制備 ， 如 鈮酸鋰等。 但有機(jī)非線性光學(xué)材料品種多 ， 反應(yīng)快 ， 易 于形成非對稱體系。 有機(jī)

21、體系的非線性光學(xué)性能取決 于分子本身 的非線性極化度 以及結(jié) 晶排列 的非對稱 性 。 分子 在適 當(dāng)排列 后 ， 偶 極 矩相 互 疊加 ， 在 宏 觀上 建 立起超極化 ， 顯示 出極高的非線性光學(xué)系數(shù) 。 半菁花、硝莖氏等都具有非常大的二次諧波系數(shù) ， 其 中半菁花 的二次諧波系數(shù)是鈮酸鋰的1 0 0 倍 。 X、 Z型或交替型 L B膜均具有高度的非對稱性 ， 當(dāng)分子受激光強(qiáng)場作 用時(shí) ， 電子偶極矩激發(fā)進(jìn)入非 線性振 蕩， 導(dǎo)