分子定向控制方法以及分子定向控制裝置的製作方法

2023-09-21 18:06:35

專利名稱：分子定向控制方法以及分子定向控制裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用紅外光照射的分子定向控制方法、被控制了分子定向的功能材料、以及分子定向控制裝置。
背景技術：
苯並菲以及酞菁、和卟啉類的圓盤狀液晶分子測量出沿柱縱軸方向很大的電荷躍遷率等，可以期待作為電荷輸送材料。且為了得到利用其液晶性而利用與基片的相互作用等更高性能的功能，測試了控制液晶分子的定向方法的方法。
例如U.S.Patent NO.4,974,941(特開平2-277025號公報)中記載了液晶分子的定位方法，但該定位方法是基於分子的電子躍遷的，而不是基于振動激發的。該定位方法通過各向異性性吸收分子的曝光而被感應，且該各向異性性分子為熱向性液晶化合物以及具有約150nm至2000nm間的二色性吸收波長帶的二色性染料(dichroic dyes)，而對於基於2.5μm(2500nm；4000cm-1)以上波長的振動激發的吸收未進行記載。
本法明的目的在於，提供一種幾乎全部的分子通過照射具有吸收波長的紅外光(波長2.5μm～25μm)而可以容易控制分子定向方向的方法。
此外，本發明的目的在於，提供一種分子被定向的功能性材料。
進而，本發明的目的在於，提供一種分子定向控制裝置。

發明內容
發明者們發現通過向分子材料照射紅外光引起振動激發而特殊地進行加熱，不僅可以對液相(包含液晶以及中間相)分子材料的定向進行控制，還可以對固相分子材料的定向進行控制，且通過任意調節照射紅外光的波長、照射方向或偏振光方向而控制分子材料的定向，從而可以進行重定向。
此外，對於經過紅外光照射或其他方法而向一方向進行過一次定向的部分，通過選擇照射波長、偏振光面、以及入射方向進行紅外光照射而可以可逆且反覆對分子材料進行重定向。由此，發現可以重寫分子定向結構、或者可以更精確地進行結構描述。
進而發現經過紅外光照射而被定向的結構可根據光聚合作用等定形，從而完成了本發明。
本發明涉及到下述的分子定向控制方法、功能性材料、以及分子定向控制裝置。
1.分子材料的定向控制方法，其特徵為通過向分子材料照射紅外光而對材料分子進行定向。
2.項1所述的方法，紅外光為偏振紅外光。
3.項1的方法，分子材料為從液晶材料、非晶材料、塑性結晶材料、高分子液晶材料以及定向性高分子材料組成的材料群中選擇的至少1種。
4.項3的方法，液晶材料形成了液晶相。
5.項4的方法，液晶材料形成了固相。
6.項1的方法，照射能夠吸收分子材料分子內的任意鍵的振動力矩的波長的紅外光，從而把該分子定向為對照射光的偏振方向或入射方向而言，該振動力矩方向垂直於偏振方向或平行於入射方向。
7.項1的方法，該分子材料夾在2片基片之間，並通過從垂直或平行於基片的方向多次照射從入射方向、偏振方向以及波長組成群選擇的至少1種互相不同的偏振紅外光，該分子材料的定向可以可逆的轉換平行或垂直於該基片的定向。
8.項1的方法，特徵為通過進行同時或多次不同波長的紅外光照射而把材料分子內片段的定向控制為所期望的方向。
9.項1的方法，特徵為紅外光具有2.5～25μm範圍內的波長。
10.項1的方法，紅外光為雷射。
11.項1的方法，特徵為該分子材料被夾在2片基片之間，並通過進行2次以上的紅外光照射而在相對於基片面的面內以及面外方向上轉換該分子的定向。
12.項1的方法，特徵為該分子材料為在特定的溫度範圍內發現從向列相、近晶相、膽甾相、柱狀相以及立方相組成的群體中選擇的液晶相或有關的中間相，並通過照射紅外光而改變分子定向的液晶分子。
13.項12的方法，該材料為柱狀相。
14.功能性材料，其中通過項1的方法控制了分子定向。
15.項14的材料，功能性材料為光記錄材料、導電性材料、光學元件或光波導。
16.項14的材料，其中功能性材料是通過光聚合作用、光交聯作用或光固化作用而該材料分子被固定的光記錄材料。
17.分子材料的定向控制裝置，其具有紅外光照射部以及分子材料的安放部。
18.項17的裝置，其具有把紅外光轉換成偏振紅外光的偏振元件。
19.項17的裝置，其具有紅外光的入射方向控制部。
20.項18的裝置，其具有偏振方向控制裝置。
21.項17的裝置，其具有紅外光的波長控制裝置。
22.項17的裝置，其特徵在於，紅外光的波數在400cm-1～4000cm-1(2.5μm～25μm)範圍內，且具有偏振二色性。
23.項17的裝置，前述安放部具有把分子材料控制在表現液晶相或中間相的特定的溫度範圍內的溫度控制部。


圖1為表示經過偏振紅外光照射的可逆分子定向控制裝置例的示意圖。
圖2為表示在實施例1中的液晶分子定向垂直於入射方向以及偏振方向的偏振顯微鏡照片複製件。
圖3為表示在實施例2中的液晶分子定向垂直於入射方向以及偏振方向的偏振顯微鏡照片複製件。
圖4為表示在實施例3中的液晶分子定向垂直於入射方向以及偏振方向的偏振顯微鏡照片複製件。
圖5為表示在實施例5中的液晶分子定向隨著不同波長的紅外光照射而轉換的偏振顯微鏡照片複製件。
圖6為表示實施例6的偏振顯微鏡照片的複製件。
圖7為表示實施例6的照射紅外雷射束輸出的偏振面依賴性(縱軸光強度、圓周方向角度)。
圖8為表示將實施例6的液晶分子根據圖7所示的紅外光進行定向控制的區域中屬於分子核部的方族C-C鍵的1615cm-1的偏振紅外吸收強度的角度依賴性(縱軸吸收強度、圓周方向角度)。
圖9為表示用於改變照射紅外雷射的偏振面方向的光學系統例，通過調整入射角以及高度而改變照射紅外光的偏振面方向。
圖10～圖17為表示本發明方法的具體例的圖。
圖18為表示實施例7的偏振顯微鏡照片的複製件。
具體實施例方式
所謂本發明的定向控制有以下3種情況。
①將紅外光照射前定向某方向的分子材料定向為另一方向(分子材料的方向發生變化)。例如實施例1～6。
②將紅外光照射前定向某方向的分子材料進行非定向、或降低定向性。例如實施例7。
③將紅外光照射前的非定向分子材料定向為某一方向。
在本發明中使用的分子材料包括液晶材料、非晶材料、塑性結晶材料、或高分子材料。
所謂可被定向的材料分子是分子材料的構成成分，具體可以舉出液晶分子、非晶分子、塑性結晶分子、或高分子分子。
所謂材料分子的片段是指可以得到1個定向的原子團，具體例舉了酯、烷基、烷氧基、醯氨基、醚、酮、醛、羥基、芳香基、亞芳香基、芳烷基、烯烴基、炔基、氨基、氰基、羧基、羰基、硝基、苯基、聯苯基等官能團、以及縮合烴環、縮合雜環、在共聚物同一單體連接的部分(嵌段共聚物的各嵌段、接枝共聚物的各枝、以及具有規定平均鏈長的無規共聚物的各單體的連結部分)等。
本發明的塑性結晶材料為結晶的分子定向具有極度散亂狀態的材料，並有富勒烯(包括多層納米管、單層納米管、C60、C70、高級富勒烯)等。對於在室溫下流動性大的化合物則進行降溫，降低化合物的流動性後進行分子定向控制。
本發明的非晶材料為進行非結晶性的原子定向的固體材料，且也稱作非結晶、以及非晶質的材料，例如可舉出酞花菁等。雖然隨材料不同而有所不同，但一般比起液晶材料，非晶材料需要進行長時間照射或強光照射。
高分子材料包含高分子液晶材料與定向高分子材料。
作為屬於本發明採用的高分子材料的高分子液晶材料，只要是通過具有該材料的紅外光吸收體對應波長的紅外光的照射而改變了分子定向的高分子便不會有特別限定，但可以舉出側鏈型高分子液晶、或主鏈型高分子液晶等在側鏈部或主鏈部具有聯苯基之類的棒狀價鍵部位的高分子。
作為定向高分子材料只要具有定向性便可包含一切高分子，例如可以舉出聚對苯二甲酸乙二醇酯等聚酯、聚苯乙烯聚乙烯、以及聚丙烯等聚烯烴、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚醯胺、聚縮醛、聚碸、聚醚酯、聚醚碸、以及聚氨基甲酸酯等熱塑性樹脂、多酚、以及矽酮等熱固性樹脂、或這些的共聚物(嵌段共聚物、接枝共聚物、以及無規共聚物)、蛋白質、DNA、以及RNA。
作為本發明的液晶材料沒有特別限定，但可以舉出一般的棒狀液晶以及圓盤狀液晶分子經過選擇性地會合而形成的液晶材料等，例如苯並菲系列、酞菁系列、以及卟啉系列的具有圓盤狀液晶分子的材料最好。
其中，苯並菲系列的具有圓盤狀液晶分子的材料最好，而在優選的1種實施方式中包含下述式表示的苯並菲化合物。
上述式中的R可以相同或不同，且可舉出烷基、烷氧基、烷基苯甲醯氧基、烷氧苯甲醯氧基、以及烷硫基等。作為這些基的烷基部分可舉出直鏈狀、環狀或支鏈狀的碳數為1～18、優選為4～12、更優選為4～8的脂肪族烴基。其中作為R可舉出碳個數為1～18、更好為4～12、再好為4～8的烷氧基。
液晶材料優選在特定溫度範圍內表現向列相、近晶相、膽甾相、柱狀相以及立方相組成的群體中選擇的液晶相或有關中間相，且柱狀相最好。在這裡，所謂有關的中間相是指柱狀塑料相、螺旋相、柔性結晶相等。
在本發明，具有對應照射分子材料的某一分子內化學鍵振動能的波長的紅外光。在這裡，對於具有流動性的分子材料，特別是對於液晶相的液晶材料以及高分子液晶材料可以採用偏振紅外光，而固相的液晶材料、高分子液晶材料、以及定向高分子材料可以採用偏振光或無偏振紅外光，但以下把這些簡化為「紅外光」。當採用偏振紅外光時，可把作為對象的分子定向在依賴於照射光的偏振方向的方向。在本說明書中所謂「偏振方向」是指紅外光電向量的振動方向，而「偏振面」則指包含紅外光的照射方向與電向量的面。且在偏振紅外光中包含直線偏振紅外光、圓偏振紅外光、以及橢圓偏振紅外光。
在這裡所說的「把分子定向在依賴於偏振方向的方向」是指分子被定向在分子內化學鍵的振動躍遷力矩垂直於偏振方向的方向。即在受到某波長的偏振紅外光照射時，具有對應振動能的鍵把分子定向成向著不能吸收偏振紅外光的方向即使得偏振方向與化學鍵的振動方向垂直。
此外，在本發明中可在上述材料上照射具有對應於各分子內的任意化學鍵的振動激發能量的波長的紅外光。
這些紅外光具有2.5～25μm範圍內的波長(波數為400～4000cm-1)為好，更好為具有2.5～12.5μm範圍內的波長(波數為800～4000cm-1)。從這些範圍內選擇激發各分子的分子骨架以及取代基中至少1個鍵對應的振動能能級的紅外光的波長為好。
例如，作為苯並菲系列的液晶化合物若以在實施例1中使用的六烷氧基苯並菲化合物為例，通過照射引起苯並菲分子核的芳香族C-C鍵的振動的波長6.19μm(波數1615cm-1)、以及波長6.63μm(波數1509cm-1)、由烷氧基C-O-C鍵引起的波長6.99μm(波數1431cm-1)、波長7.93μm(波數1261cm-1)、波長8.58μm(波數1166cm-1)、以及波長9.64μm(波數1039cm-1)、由烷基引起的波長3.41μm(波數2932cm-1)、以及波長3.50μm(波數2861cm-1)、芳香族C-H鍵的面外變角振動引起的波長11.92μm(波數839cm-1)等對應的紅外光而液晶分子被重定向。對於一般的棒狀結晶、卟啉系列、酞菁系列化合物也可以通過照射對應各化合物吸收帶的紅外光而重定向液晶分子。
基于振動躍遷的激發是分子內的各化學鍵吸收固有波長的光而被激發的現象。且如伸縮振動、面外振動等方式，即使對於同一化學鍵部位，各鍵振動躍遷力矩的方向也根據吸收的波長而有所不同。由此，在依靠振動激發的分子材料的定向控制方法中通過選擇液晶分子中每個化學鍵所對應的紅外光波長進行照射而振動激發分子，從而可以重排液晶分子。
此外，作為對象的分子也無需特別選擇各向異性性光吸收分子，從而通過選擇照射紅外光的波長而可以特殊地振動激發對象分子中的化學鍵部位。
本發明中若採用偏振紅外光，則分子定向特定的方向定向，從而可用作顯示裝置，或構成光導波路。
本發明中若採用具有偏振二色性的紅外光，則液晶分子便定向成平行於紅外光入射方向的方向，從而可在液晶片中形成具有光學各向異性性的波導以及各向異性導電路。
本發明中偏振方向的方向最好完全一致，但偏振方向的方向也可以具有某種程度的分布。在液晶狀態中可認為由於熱運動而分子在平面內為旋轉的狀態，而對稱形的液晶分子便不能判別出分子旋轉，但對於非對稱分子當吸收紅外光的部位在特定位置時可認為能夠旋轉。
通過採用紅外光振動激發分子自身而特殊地進行加熱，利用所引起的局部的熱非平衡狀態即具有更大運動性的狀態，通過任意調節照射紅外光的波長、照射方向以及偏振方向而控制液晶分子凝集系列以及液晶高分子系列而可以進行重定向。
換言之，若向液晶相的液晶分子照射液晶分子內任意鍵的振動力矩吸收的波長的偏振紅外光，利用該液晶分子定向為使該振動力矩的方向和照射光的偏振方向與入射方向成±90度方向的特點而可以控制分子定向。同樣對於液晶相的液晶分子以外的分子材料的材料分子也可以控制分子定向。
進而，通過選擇照射具有平行於分子骨架平面的振動力矩的振動模式所對應波長的紅外光或照射具有垂直於分子骨架平面的振動力矩的振動模式所對應波長的紅外光，而不管液晶分子等材料分子為哪一定向方向，也能把分子定向重定向成垂直於照射光的入射方向與偏振方向的面內或面外方向。通過把照射的紅外光的偏振面改變±90度，也能對分子定向進行同樣的重定向。且把液晶材料夾在2片基片之間，並通過對該液晶材料進行一次或多次不同波長的紅外光照射而可以可逆地轉換液晶分子平行或垂直於基片的定向。此時，用於夾液晶材料的基片優選可透過照射紅外光的材料。
例如，通過利用自由電子雷射等具有偏振特性的單色紅外光，而特殊地激發分子內化學鍵的振動能能級，可以利用分子被加熱而在局部造成熱非平衡狀態後，依靠偏振方向而選擇性地重定向成特定方向。由此，可進精確的分子定向控制而達到能夠進行分子內的每個化學鍵的方向控制程度。
利用圖10～17而進一步對本發明方法的具體例進行詳細說明。
圖10(i)中表示進行照射的偏振紅外光。入射軸為z軸，偏振面為x-z平面。
圖10(ii)中表示某圓盤狀分子的分子骨架(圓盤內)的鍵方向。當吸收平行(x-y平面內)於鍵方向的紅外光的伸縮振動時，若照射圖10(i)所示的紅外光，則鍵方向便如(iii)所示的方向進行重定向。當為圓盤狀分子時，鍵方向便存在於圓盤分子平面內的所有方向上。
圖10(iv)中表示某圓盤狀分子的分子骨架(圓盤內)的鍵方向。當吸收平行(x軸)於結合方向的紅外光的伸縮振動時，若照射圖10(i)所示的紅外光，則鍵方向便如圖10(iii)或圖10(v)所示的方向進行重定向(不能確定為唯一值)。當從正上側照射非偏振的紅外光時，便唯一地如圖10(v)所示方向進行重定向。
另一方面，在照射吸收垂直(z軸方向)於鍵方向的紅外光的面外變角振動所對應的紅外光的情況下，當如圖10(v)所示有吸收為垂直於入射光的入射軸方向的振動躍遷力矩的方向時，若照射圖10(i)所示的紅外光，由於不吸收紅外光而定向便保持原樣。
最先吸收的振動躍遷力矩的方向如圖10(iv)所示時，若照射圖10(i)所示的紅外光，便如圖10(v)或圖10(iii)所示，振動躍遷力矩的方向會有指向x-y平面內的x軸方向或z軸方向等2種。在這種情況下，通過取代圖10(i)所示的偏振紅外光而照射非偏振的紅外光，可以唯一地如圖10(v)所示吸收到垂直於入射光的入射軸方向的振動躍遷力矩的方向被進行重定向。
·當進行偏振紅外光照射時的六-己氧基苯並菲分子定向的方向與照射光的關係(例1)六己氧基苯並菲(化合物I)為屬於液晶相的六角柱柱狀中間相或固相，由於照射紅外光而被振動激發的振動躍遷力矩在圓盤狀分子的圓盤平面內的情況。
·苯並菲骨架部的芳香族C-C鍵的振動吸收的2個波長分別為6.19μm(1615cm-1)以及6.63μm(1509cm-1)。
·烷氧基部位的吸收波長對於芳香族C-O為7.93μm(1261cm-1)。
·烷氧基部位的芳香族C-O-烷基鏈C-C鍵吸收的波長為8.58μm(1166cm-1)。
紅外雷射通過圖1(b)所示的裝置從正上側照射時，圓盤平面如圖11(i)所示那樣平行於基片面定向的圓盤狀分子便重定向為圓盤平面與垂直於照射紅外光的偏振面(電場向量的振動面)且垂直於照射光的入射軸的方向平行。此時，圓盤狀分子由圖11(ii)變化為圖11(iii)。
紅外雷射通過圖1(b)所示的裝置從正上側照射時，圓盤平面如圖12(i)所示那樣垂直於基片面且平行於入射紅外光的偏振面定向的圓盤狀分子便重定向為圓盤平面與垂直於照射紅外光的偏振面(電場向量的振動面)且垂直於照射光的入射軸的方向平行。此時，圓盤狀分子由圖12(i)變化為圖12(ii)。
紅外雷射通過圖1(b)所示的裝置從正上側照射時，圓盤平面如圖13(i)所示那樣垂直於基片面且垂直於入射紅外光的偏振面定向的圓盤狀分子的定向不會改變。此時，圓盤狀分子在紅外光照射前後由圖13(i)不產生變化。
(例2)六己氧基苯並菲(化合物I)為屬於液晶相的六角柱柱狀中間相(中間相)或固相，由於照射紅外光而被振動激發的振動躍遷力矩在圓盤狀分子的圓盤平面的面外方向的情況。
·進行苯並菲骨架部的芳香族C-H鍵的振動吸收的波長為11.92μm(839cm-1)。
紅外雷射通過圖1(b)所示的裝置從正上側照射時，圓盤平面如圖14(i)所示那樣平行於基片面定向的圓盤狀分子保持原樣而不會改變。
紅外雷射通過圖1(b)所示的裝置從正上側照射時，圓盤平面如圖15(i)所示那樣垂直於基片面且垂直於入射紅外光的偏振面定向的圓盤狀分子保持原樣而不會改變。
紅外雷射通過圖1(b)所示的裝置從正上側照射時，有圓盤平面如圖16(i)所示那樣垂直於基片面且平行於入射紅外光的偏振面定向的圓盤狀分子把圓盤平面定向為垂直於基片面且垂直於入射紅外光的偏振面(此時，圓盤狀分子由圖16(i)變化為圖16(ii)。)，或向圓盤狀分子定向為圓盤平面平行於基片面的狀態進行重定向(此時，圓盤狀分子由圖16(i)變化為(iii)。)等2種情況，或者兩者混合存在。
繼而對於非直線偏振(無規偏振、圓偏振等)的例子進行說明。
(例3)六己氧基苯並菲(化合物I)為屬於液晶相的六角柱柱狀中間相或固相，而由於照射紅外光而被振動激發的振動躍遷力矩在圓盤狀分子的圓盤平面的面外方向的情況。
·進行苯並菲骨架部的芳香族C-H鍵的振動吸收的波長為11.92μm(839cm-1)。
紅外雷射通過圖1(b)所示的裝置從正上側照射時，圓盤平面如圖17(i)以及(ii)所示那樣垂直於基片面(與面內的方向無關)定向的圓盤狀分子向圓盤狀分子定向為圓盤平面平行於基片面的狀態進行重定向。即圓盤狀分子由圖17(i)以及(ii)變化為圖17(iii)。
根據採用這種方法，在基片面內方向假設液晶分子的定向不一致時，也可以把分子平面唯一地重定向成平行於基片面。
以上把實施例1中採用的分子材料作為例子進行了說明，但對於其他分子材料也可以同樣地改變定向。
根據本發明，與利用可見光的界面定向技術以及液晶材料定向控制技術不同，即使不具備在可見光領域具有吸收波長的光異構化官能團，也能利用分子內鍵的振動能吸收，因此可適用於多種液晶材料、高分子液晶材料、還可適用於非晶材料、定向性高分子材料等分子材料。特別是也可以作為由於自我凝集力強而僅通過與基片界面的相互作用則很難得到相同定向的柱狀相等液晶的定向控制技術而使用。
而且本發明還可作為能夠分別獨立控制高分子液晶的主鏈以及側鏈的分子定向控制技術而使用。
在本發明中通過調節紅外光的照射方向以及偏振方向，可以控制液晶分子凝集系統而進行重定向。即與採用可見光的光定向控制法相同，在照射紅外線上利用偏振，且即使在無偏振時也可以從側面照射基片。根據這種作法，可以控制圓盤狀液晶的柱狀向的定向方向。進而，由根據紅外波導以及吸量管等利用鄰近場效應、以及通過光掩膜(金屬膜)而照射紅外光，除了能夠形成微觀結構以外，還可進行利用定向變化時照射紅外光強有閾值的特點的精細加工。
在本發明中對於紅外光照射時的分子材料的溫度沒有特別限定。分子材料可以在表示固相或中間相的溫度範圍，而為高分子材料時可以為玻璃轉變點以上或以下。分子材料的溫度依賴於物質，但一般為室溫至250℃，更好為室溫至200℃，最好為室溫至180℃。當分子材料的吸光度很小時，優選提升溫度。
例如為液晶分子時，優選液晶分子顯示固相或中間相的溫度範圍。例如為六-烷烴基苯並菲時，99℃以下為好，而室溫～99℃更好，且69～99℃最好。
此外，對於照射紅外光的時間沒有特別限定，但通常為0～10小時，1毫秒～30分鐘為好一些，更好為1毫秒～5分鐘，特好為1毫秒～1分鐘。
當分子材料為高分子材料時，分子材料可以是薄片、薄板、膜、以及平板等。厚度為1nm～10hm，而100nm～1mm為好一些，更好為1μm～200μm，特別好為1～100μm，最好為1～50μm。厚1cm量的材料可以只改變表面的分子定向。
當液晶時，液晶材料的厚度為10nm～100μm好一些，更好為100nm～50μm，再好為1～10μm。
此外，照射的紅外光的光強度依賴於光照射對象物的溫度、粘度、以及流動性，但0.1～100Mw左右為好。
由於可以選擇性地振動激發分子內特殊官能部位的化學鍵，能夠以不同波長對材料進行數次紅外雷射照射或同時照射而分別控制分子內每個官能部位的定向。因此，可以提供除了液晶還可利用高分子以及有機薄膜的定向膜等功能性材料以及用於各種元件構築的全新結構構築技術。例如，把固體聚合物加熱到該玻璃轉變點與融點之間，則固體聚合物也可以進行定向。此時，加熱溫度也可以是玻璃轉變點以下。對於液晶分子而言，不僅在呈現液晶狀態的溫度範圍內，而在比結晶等液晶排列整齊的狀態下也可進行重定向。
根據本發明，通過照射2次以上的紅外光而能夠把該分子的定向轉換成垂直於入射光軸的平面的面內以及面外的方向。
本發明的分子定向的保持性依賴於液晶狀態的溫度，從而在液晶狀態下隨溫度變低而定向也穩定。
分子定向控制裝置本發明的分子定向控制裝置具備紅外光照射部(例如射束控制器)、以及屬於紅外光照射對象物的分子材料的安放部。根據需要還可以包括能夠旋轉的紅外偏光鏡或偏振元件，或者聚光系統的透鏡或聚光凹透鏡(參照圖1)。
偏振元件包括偏光鏡、偏光濾光器、波長板、以及格蘭-湯姆森稜鏡等。且還可通過其他反射鏡組合控制偏振方向(圖9)。作為偏振方向控制裝置例示了例如能夠旋轉的偏光鏡或偏振元件。
上數紅外光照射部與上述安放部之間的距離依靠聚光系統的透鏡或聚光凹透鏡的焦距而發生變化，但在使用聚光系統時希望在焦點附近。
紅外光照射部發生紅外光，且可以具有偏振二色性，但更希望具有直線偏振性而可以改變波長。但即使同時發生可見光也無大礙。
紅外光也可以是雷射以及通過分光儀進行單頻化(單色化)的光。
紅外光的波長以相當於分子內的化學鍵的振動激發能的波長為好。例如芳香族系列的液晶分子中振動激發屬於分子骨架部分的芳香族部分的化學鍵，在容易控制重定向後的定向方向的點上是適合的。在其他分子材料中也激發側鏈或取代基以外的主要結構(分子骨架)、或直接與分子骨架結合的取代基的分子骨架的化學鍵為好。
光強度則依賴於光照射對象物的溫度狀態，但可以例示為0.1～100mW左右為好。
作為本發明的紅外光的波長控制裝置例如可舉出自由電子雷射、或者紅外線光源與分光儀(單色儀)的組合體。
紅外光照射也可以是連續照射或脈衝照射。當脈衝照射時，照射時間依賴於溫度，但以100毫秒至20分鐘為好。在優選的1種實施方式中脈衝數為5～15大脈衝/秒左右，而1大脈衝由300～500微脈衝構成。照射量為1mJ至5mJ左右。照射強度條件也隨成為對象的紅外吸收方式的吸光度而變化。
根據本發明，也可以對柱狀相等粘性高的高秩序的液晶系列進行重定向。且高粘性以及高秩序系列的一方比低粘性以及低秩序系列更長時間穩定地保持重定向區域的定向。
該安放部為能夠保持具有流動性的物質的結構，優選能夠進行溫度控制，且優選移動乃至能夠旋轉的。對於溫度控制，配備加熱器與感應溫度的傳感器，從而根據傳感器測量的溫度把加熱器的開關置為開、關為好。控制溫度的幅度為室溫～200℃左右。該安放部的移動量沒有特別限定，但與安放部的面水平方向是1μm～5mm。以及垂直方向而言該安放部的旋轉為+90～-90度左右為好。
對於本發明的良好實施方式的1種，入射光的方向對於紅外光照射部為一定方向，且也可以設置多個照射裝置。作為入射方向控制部舉出了反射鏡(圖9)、能夠旋轉的偏光鏡或偏振元件、以及插入到光程中的位相板等。且也可以通過旋轉被照物而控制入射方向。反射鏡類與上述聚光透鏡的配置關係以哪一方作為光源側都可以。
入射方向中1成左右的角度變化是允許範圍內。
在本發明中不單對於液晶物質而對於高分子以及有機薄膜等廣範圍的材料可以應用根據紅外光照射進行的分子定向控制技術。通過紅外光照射而被控制分子定向的液晶材料、高分子膜、以及有機薄膜等分子材料可用作光記錄材料、導電性材料、光波導、以及位相差膜等。且本發明不僅作為電子相片感光體、電場發光元件用電荷輸送材料、液晶元件用等各種定向膜等的電子材料、以及光電材料的高性能化技術而使用，還可作為利用高分子的元件的全新微觀結構製作技術而使用。進而可以控制分子內每個化學鍵的定向方向，因此本發明可用於更高性能的材料開發。
此外，把經過紅外光照射而定向的材料的分子結構通過光聚合作用或光固化、與基片的交聯作用、聚合等進行固化而得出的元件在很大的溫度範圍內用作功能性元件。
再者，將根據本發明的分子定向控制方法控制了分子定向的導電材料配置於玻璃或塗了ITO透明導電膜以及金屬薄膜的基片間，從而可以形成光電元件。
實施例1
在圖1(b)所示的裝置(對象物的上下線相當於基片)，在呈現中間相的溫度94℃，從斜上方向分子平面與基片一樣平行定向的六角柱柱狀液晶的六-烷烴基苯並菲(化合物I)照射具有苯並菲骨架部的芳香族C-C鍵振動吸收的波長6.19μm(1615cm-1)的偏振二色性的紅外線雷射脈衝時，則照射部分的領域結構發生變化(圖2的(a)→(b))，而分子定向變化為分子平面與基片一樣垂直定向。紅外線雷射脈衝的照射時間隨著照射條件而發生變化，但通常為數秒至數分鐘。
進而，對把該紅外線雷射脈衝的偏振方向旋轉90°後的區域進行照射，則由於先前的照射而分子平面定向成垂直與基片的定向的領域再次變回初始狀態的分子平面與基片一樣的水平定向，從而在偏振光顯微鏡像上形成暗區(圖2的(b)→(c))。
圖2中，(a)為照射前的偏振光顯微鏡像，(b)為從斜向照射具有波長為6.19μm(1615cm-1)的偏振二色性的紅外線雷射脈衝時的正交尼可爾稜鏡下的偏振光顯微鏡像，(c)為對把照射光的偏振方向旋轉90°後的區域進行照射時的偏振光顯微鏡像。
此外，當照射沒有紅外吸收帶的波長5.95μm(1681cm-1)的紅外線雷射脈衝時，則不會在偏振光顯微鏡像上發現變化。
此外，即使在80°時對分子平面與基片一樣水平定向的六角柱柱狀液晶照射紅外線雷射脈衝(照射時間數秒至數分)，照射部分的領域結構也發生變化，而分子定向一樣地變化的分子平面垂直於基片的定向。
(實施例2)在圖1(b)所示的裝置，在呈現中間相的溫度，從斜上方向對分子平面與基片一樣水平定向的六角柱柱狀液晶(化合物I)照射具有苯並菲骨架部的芳香族C-C鍵振動吸收的波長6.63μm(1509cm-1)的偏振二色性的紅外線雷射脈衝(照射時間數秒至數分鐘)，則照射部分的領域結構發生變化(圖3的(a)→(b))，而分子定向變化到分子平面與基片垂直定向。
即使停止紅外線雷射的照射，變化了一次定向的部分也被保持。
圖3中，(a)為照射前的偏振光顯微鏡像，(b)為從斜向照射具有波長為6.63μm(1509cm-1)的偏振二色性的紅外線雷射脈衝時的正交尼可爾稜鏡下的偏振光顯微鏡像。
(實施例3)在圖1(b)所示的裝置，在呈現中間相的溫度，從斜上方向28分子平面與基片一樣水平定向的六角柱柱狀液晶(化合物I)照射具有化合物I的烷氧基部位的芳香族C-O-鏈C鍵吸收的波長8.58μm(1166cm-1)的偏振二色性的紅外線雷射脈衝(照射時間數秒至數分鐘)，則照射部分的領域結構發生變化(圖4的(a)→(b))，而分子定向變化為分子平面垂直於基片的定向。
(實施例4)延續實施例3，通過同樣的圖1(b)所示的裝置繼續照射苯並菲骨架部的芳香族C-H鍵振動吸收的波長(11.92μm，839cm-1)所對應的紅外雷射時，由於實施例3的紅外光照射而分子平面變化為垂直於基片的定向的部分再次轉變成分子平面與基片一樣的水平定向。這些工序可以可逆進行。
(實施例5)圖1(a)所示的裝置，預先照射對液晶分子(化合物I)的圓盤平面的面內方向的具有振動躍遷力矩的芳香族C-C鍵吸收所對應的波長6.19μm(1615cm-1)的紅外光時，重定向為分子平面垂直於基片的定向(圖5(1))。接著，對此重定向的部分照射對液晶分子的圓盤平面的面外方向的具有振動躍遷力矩的芳香族C-H鍵所對應的波長11.92μm(839cm-1)的紅外光雷射脈衝(照射時間數秒至數分鐘)時，分子平面垂直於基片定向的部分的定向方向轉換為水平定向(圖5的(1)→(3))。再次照射6.19μm(1615cm-1)的紅外光時，定向再度變成分子平面垂直於基片的定向(圖5的(3)→(5))。
將圖5的(1)、(3)以及(5)的試樣分別旋轉45°，則光照射部分變暗的特性已被確認(分別為圖5的(2)、(4)以及(6))。
圖5中，(1)～(6)為正交尼可爾稜鏡下的偏振光顯微鏡像。
(實施例6)通過圖1(a)所示的裝置在94℃下，將烷氧基部位的芳香族C-O鍵紅外吸收的波長7.93μm(1262cm-1)的具有偏振二色性的紅外線雷射脈衝進行H字型掃描地對分子平面與基片一樣水平定向的六角柱柱狀液晶(化合物I)進行照射。照射時間為1分鐘。照射量為約500mj。聚光系統的透鏡間的焦距為130mm。其結果，照射部分的領域結構發生變化，而分子定向從分子平面水平於基片的定向變為相同的垂直定向。
進行H字型掃描而紅外雷射照射停止後，把載物臺旋轉45°而進行偏振光顯微鏡觀察時，確認光照射部分變量(圖6)。
圖6中，(a)為照射波長為7.93μm(1262cm-1)的圖7所示的具有偏振特性的紅外雷射脈衝時的正交偏光鏡下的偏振光顯微鏡像，(b)為把載物臺旋轉45°後的像，(c)為再旋轉45°後的像，(d)為在(a)情況下的檢偏鏡(A方向)、以及偏光鏡(P方向)的方向，(e)為在(a)情況下的所照射的紅外雷射脈衝光的偏振方向。
此外，即使停止紅外線雷射的照射，變化了一次定向的部分也被保持著。在90℃下，定向至少保持數小時。在80℃時則可保持一晚以上。
此外，發生變化的領域部的光軸方向以±90°的關係向激發為紅外線脈衝雷射的偏振方向的振動激發的躍遷力矩方向變化(圖7以及8)。
同樣地通過利用反射鏡類而改變照射紅外光的偏振面方向而進行照射，也可以進行保持了同樣關係的分子定向控制(圖9)。
(實施例7) 從正上側向在室溫下一軸定向的聚對苯二甲酸乙二醇酯薄片(25μm厚度、東麗魯米拉)，分別在室溫、80℃、130℃、180℃的溫度下，利用加爾瓦尼反射鏡進行掃描而分別照射1分鐘的酯鍵的羧基部為的C＝O鍵吸收的波長(1726cm-1，5.79μm)或高分子薄片吸收的某波長(1019cm-1，9.82μm)或波長(1409cm-1，7.10μm)對應的偏振紅外線雷射脈衝(8～15mW)，則所有情況下的照射部分的定向產生變化，其結果，光學位相差發生變化。圖18的(a)為波長為5.79μm時的偏振光顯微鏡像。
通過偏振光顯微鏡確認了可根據一次大脈衝改變定向的事實。
紅外雷射的照射停止後，將載物臺旋轉45°而進行偏振光顯微鏡觀察的結果，光照射部分變暗(圖18的(a)→(b))。且即使停止紅外線雷射的照射，改變了一次定向的部分也仍被保持著。
根據本發明地利用偏振紅外光的分子定向控制方法，對液晶相以及固相的液晶材料以及高分子液晶材料，通過利用重定向為照射光的偏振方向的該分子以及該分子內的官能部位的分子定向方向間的關係而可提供一種用偏振紅外雷射照射的精確的分子定向控制方法。
根據本發明，不僅對於液晶狀態等中間相狀態，而對於固體狀態，也可以進行基於紅外光照射的分子定向。由此，不僅對於液晶物質，而對於高分子以及有機薄膜等很廣的範圍內的材料，也可以應用基於紅外光照射的分子定向控制技術。
與利用可見光的界面定向以及液晶分子定向技術不同，在不具有由可見光進行光構反應的特殊的官能團時，也可以通過選擇對液晶分子骨架的一部位進行振動能能級激發的紅外光波長，可以對在紅外領域具有吸收帶的多種化合物進行分子定向控制。
特別是對於僅由與基片界面間的相互作用很難得到一樣的定向且自身凝集性強的柱狀相等液晶，控制其縱軸方向，從而可以一樣地進行定向。
進而，根據本發明，可以選擇性地振動激發分子內的特殊官能部位的化學鍵，因此通過由不同波長進行數次紅外雷射照射而可以分別控制分子內的每個官能部位。與對1處的化學鍵照射紅外線而改變分子的定向方向的以往方法相比，在本發明的方法中，與分子整體的定向方向是否發生變化無關，而對於分子內的多個鍵部位改變鍵方向的結果，分子內產生扭轉，從而還可以改變分子內的結構。本發明的方法例如可應用在光學薄膜的多次折射率的調整、控制立體結構的後的反應、或者高分子交聯中。
此外，本發明也可作為分別獨立控制高分子中的主鏈、側鏈的分子定向控制技術而使用。
並且由此可提供一種全新的用於構築不限於液晶而利用高分子以及有機薄膜的定向膜等功能材料以及各種元件結構構築技術。
本發明中根據照射紅外光，根據利用運用了紅外導波路、小孔、金屬針、以及吸量管等的散射的鄰近場效應、以及通過光掩膜照射紅外光而可應用在納級加工上。還可進行利用定向變化時照射紅外光強有閾值的特點的精細加工。
此外，本發明通過轉換定向方向而可提供可重寫的記錄元件、或可改變光程的光波導元件。
本發明通過可以控制分子內每個化學鍵的定向方向而可展望用於更高性能的材料開發。
權利要求
1.一種分子材料的定向控制方法，其特徵在於，通過對分子材料照射紅外光而使材料分子定向。
2.根據權利要求1所述的方法，其中紅外光為偏振紅外光。
3.根據權利要求1所述的方法，其中分子材料為從液晶材料、非晶材料、塑性結晶材料、高分子液晶材料以及定向高分子材料組成的材料群中選擇的至少1種。
4.根據權利要求3所述的方法，其中液晶材料形成了液晶相。
5.根據權利要求3所述的方法，其中液晶材料形成了固相。
6.根據權利要求1所述的方法，其中照射能夠吸收分子材料分子內的任意鍵的振動力矩的波長的紅外光，從而把該分子定向為相對於照射光的偏振方向或入射方向而言，該振動力矩方向垂直於偏振方向或平行於入射方向。
7.根據權利要求1所述的方法，其中該分子材料夾在2片基片之間，並通過從垂直或平行於基片的方向多次照射從入射方向、偏振方向以及波長組成群中選擇的至少1種互相不同的偏振紅外光，該分子材料的定向可以可逆的轉換平行或垂直於該基片的定向。
8.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，通過進行同時或多次不同波長的紅外光照射而把材料分子內每片段的定向控制為所期望的方向。
9.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，紅外光具有2.5～25μm範圍內的波長。
10.根據權利要求1所述的方法，其中紅外光為雷射。
11.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，該分子材料夾在2片基片之間，通過進行2次以上的紅外光照射而在相對於基片面的面內以及面外方向上轉換該分子的定向。
12.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，該分子材料是在特定的溫度範圍內表現從向列相、近晶相、膽甾相、柱狀相以及立方相組成的群體中選擇的液晶相或有關的中間相，並通過照射紅外光而改變分子定向的液晶分子。
13.根據權利要求12所述的方法，其中該材料為柱狀相。
14.一種功能性材料，其中通過權利要求1的方法控制了分子定向。
15.根據權利要求14所述的材料，其中功能性材料為光記錄材料、導電性材料、光學元件或光波導。
16.根據權利要求14所述的材料，其中功能性材料是通過光聚合、光交聯或光固化而使該材料分子被固定的光記錄材料。
17.一種分子材料的定向控制裝置，其具有紅外光照射部以及分子材料的安放部。
18.根據權利要求17所述的裝置，其具有把紅外光轉換成偏振紅外光的偏振元件。
19.根據權利要求17所述的裝置，其具有紅外光的入射方向控制部。
20.根據權利要求17所述的裝置，其具有偏振方向控制裝置。
21.根據權利要求17所述的裝置，其具有紅外光的波長控制裝置。
22.根據權利要求17所述的裝置，其特徵在於，紅外光的波數在400cm-1～4000cm-1(2.5μm～25μm)範圍內，且具有偏振二色性。
23.根據權利要求17所述的裝置，其中所述安放部具有把分子材料控制在表現液晶相或中間相的特定的溫度範圍內的溫度控制部。
全文摘要
本發明涉及一種通過利用紅外光特殊地激發分子材料的分子內化學鍵的振動能能級，該分子在局部被各向異性加熱，從而局部造成熱非平衡狀態後，利用根據照射光的波長、入射方向以及偏振方向而選擇性地重定向到相對於垂直於入射光軸的平面的面內以及面外方向的特定方向，而進行精確的分子定向控制，並涉及其裝置。
文檔編號G11B7/0045GK1555290SQ0281793
公開日2004年12月15日 申請日期2002年9月13日 優先權日2001年9月14日
發明者物部浩達, 清水洋, 粟津邦男, 男 申請人:獨立行政法人產業技術綜合研究所