CN1555290A - 分子定向控制方法以及分子定向控制装置 - Google Patents

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CN1555290A CNA028179366A CN02817936A CN1555290A CN 1555290 A CN1555290 A CN 1555290A CN A028179366 A CNA028179366 A CN A028179366A CN 02817936 A CN02817936 A CN 02817936A CN 1555290 A CN1555290 A CN 1555290A
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物部浩达
男
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Abstract

本发明涉及一种通过利用红外光特殊地激发分子材料的分子内化学键的振动能能级，该分子在局部被各向异性加热，从而局部造成热非平衡状态后，利用根据照射光的波长、入射方向以及偏振方向而选择性地重定向到相对于垂直于入射光轴的平面的面内以及面外方向的特定方向，而进行精确的分子定向控制，并涉及其装置。

Description

分子定向控制方法以及分子定向控制装置
技术领域
本发明涉及一种利用红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、以及分子定向控制装置。
背景技术
苯并菲以及酞菁、和卟啉类的圆盘状液晶分子测量出沿柱纵轴方向很大的电荷跃迁率等，可以期待作为电荷输送材料。且为了得到利用其液晶性而利用与基片的相互作用等更高性能的功能，测试了控制液晶分子的定向方法的方法。
例如U.S.Patent NO.4,974,941(特开平2-277025号公报)中记载了液晶分子的定位方法，但该定位方法是基于分子的电子跃迁的，而不是基于振动激发的。该定位方法通过各向异性性吸收分子的曝光而被感应，且该各向异性性分子为热向性液晶化合物以及具有约150nm至2000nm间的二色性吸收波长带的二色性染料(dichroic dyes)，而对于基于2.5μm(2500nm；4000cm-1)以上波长的振动激发的吸收未进行记载。
本法明的目的在于，提供一种几乎全部的分子通过照射具有吸收波长的红外光(波长2.5μm～25μm)而可以容易控制分子定向方向的方法。
此外，本发明的目的在于，提供一种分子被定向的功能性材料。
进而，本发明的目的在于，提供一种分子定向控制装置。
发明内容
发明者们发现通过向分子材料照射红外光引起振动激发而特殊地进行加热，不仅可以对液相(包含液晶以及中间相)分子材料的定向进行控制，还可以对固相分子材料的定向进行控制，且通过任意调节照射红外光的波长、照射方向或偏振光方向而控制分子材料的定向，从而可以进行重定向。
此外，对于经过红外光照射或其他方法而向一方向进行过一次定向的部分，通过选择照射波长、偏振光面、以及入射方向进行红外光照射而可以可逆且反复对分子材料进行重定向。由此，发现可以重写分子定向结构、或者可以更精确地进行结构描述。
进而发现经过红外光照射而被定向的结构可根据光聚合作用等定形，从而完成了本发明。
本发明涉及到下述的分子定向控制方法、功能性材料、以及分子定向控制装置。
1.分子材料的定向控制方法，其特征为通过向分子材料照射红外光而对材料分子进行定向。
2.项1所述的方法，红外光为偏振红外光。
3.项1的方法，分子材料为从液晶材料、非晶材料、塑性结晶材料、高分子液晶材料以及定向性高分子材料组成的材料群中选择的至少1种。
4.项3的方法，液晶材料形成了液晶相。
5.项4的方法，液晶材料形成了固相。
6.项1的方法，照射能够吸收分子材料分子内的任意键的振动力矩的波长的红外光，从而把该分子定向为对照射光的偏振方向或入射方向而言，该振动力矩方向垂直于偏振方向或平行于入射方向。
7.项1的方法，该分子材料夹在2片基片之间，并通过从垂直或平行于基片的方向多次照射从入射方向、偏振方向以及波长组成群选择的至少1种互相不同的偏振红外光，该分子材料的定向可以可逆的转换平行或垂直于该基片的定向。
8.项1的方法，特征为通过进行同时或多次不同波长的红外光照射而把材料分子内片段的定向控制为所期望的方向。
9.项1的方法，特征为红外光具有2.5～25μm范围内的波长。
10.项1的方法，红外光为激光。
11.项1的方法，特征为该分子材料被夹在2片基片之间，并通过进行2次以上的红外光照射而在相对于基片面的面内以及面外方向上转换该分子的定向。
12.项1的方法，特征为该分子材料为在特定的温度范围内发现从向列相、近晶相、胆甾相、柱状相以及立方相组成的群体中选择的液晶相或有关的中间相，并通过照射红外光而改变分子定向的液晶分子。
13.项12的方法，该材料为柱状相。
14.功能性材料，其中通过项1的方法控制了分子定向。
15.项14的材料，功能性材料为光记录材料、导电性材料、光学元件或光波导。
16.项14的材料，其中功能性材料是通过光聚合作用、光交联作用或光固化作用而该材料分子被固定的光记录材料。
17.分子材料的定向控制装置，其具有红外光照射部以及分子材料的安放部。
18.项17的装置，其具有把红外光转换成偏振红外光的偏振元件。
19.项17的装置，其具有红外光的入射方向控制部。
20.项18的装置，其具有偏振方向控制装置。
21.项17的装置，其具有红外光的波长控制装置。
22.项17的装置，其特征在于，红外光的波数在400cm-1～4000cm-1(2.5μm～25μm)范围内，且具有偏振二色性。
23.项17的装置，前述安放部具有把分子材料控制在表现液晶相或中间相的特定的温度范围内的温度控制部。
附图说明
图1为表示经过偏振红外光照射的可逆分子定向控制装置例的示意图。
图2为表示在实施例1中的液晶分子定向垂直于入射方向以及偏振方向的偏振显微镜照片复制件。
图3为表示在实施例2中的液晶分子定向垂直于入射方向以及偏振方向的偏振显微镜照片复制件。
图4为表示在实施例3中的液晶分子定向垂直于入射方向以及偏振方向的偏振显微镜照片复制件。
图5为表示在实施例5中的液晶分子定向随着不同波长的红外光照射而转换的偏振显微镜照片复制件。
图6为表示实施例6的偏振显微镜照片的复制件。
图7为表示实施例6的照射红外激光束输出的偏振面依赖性(纵轴：光强度、圆周方向：角度)。
图8为表示将实施例6的液晶分子根据图7所示的红外光进行定向控制的区域中属于分子核部的方族C-C键的1615cm-1的偏振红外吸收强度的角度依赖性(纵轴：吸收强度、圆周方向：角度)。
图9为表示用于改变照射红外激光的偏振面方向的光学系统例，通过调整入射角以及高度而改变照射红外光的偏振面方向。
图10～图17为表示本发明方法的具体例的图。
图18为表示实施例7的偏振显微镜照片的复制件。
具体实施方式
所谓本发明的定向控制有以下3种情况。
①将红外光照射前定向某方向的分子材料定向为另一方向(分子材料的方向发生变化)。例如实施例1～6。
②将红外光照射前定向某方向的分子材料进行非定向、或降低定向性。例如实施例7。
③将红外光照射前的非定向分子材料定向为某一方向。
在本发明中使用的分子材料包括液晶材料、非晶材料、塑性结晶材料、或高分子材料。
所谓可被定向的材料分子是分子材料的构成成分，具体可以举出液晶分子、非晶分子、塑性结晶分子、或高分子分子。
所谓材料分子的片段是指可以得到1个定向的原子团，具体例举了酯、烷基、烷氧基、酰氨基、醚、酮、醛、羟基、芳香基、亚芳香基、芳烷基、烯烃基、炔基、氨基、氰基、羧基、羰基、硝基、苯基、联苯基等官能团、以及缩合烃环、缩合杂环、在共聚物同一单体连接的部分(嵌段共聚物的各嵌段、接枝共聚物的各枝、以及具有规定平均链长的无规共聚物的各单体的链接部分)等。
本发明的塑性结晶材料为结晶的分子定向具有极度散乱状态的材料，并有富勒烯(包括多层纳米管、单层纳米管、C60、C70、高级富勒烯)等。对于在室温下流动性大的化合物则进行降温，降低化合物的流动性后进行分子定向控制。
本发明的非晶材料为进行非结晶性的原子定向的固体材料，且也称作非结晶、以及非晶质的材料，例如可举出酞花菁等。虽然随材料不同而有所不同，但一般比起液晶材料，非晶材料需要进行长时间照射或强光照射。
高分子材料包含高分子液晶材料与定向高分子材料。
作为属于本发明采用的高分子材料的高分子液晶材料，只要是通过具有该材料的红外光吸收体对应波长的红外光的照射而改变了分子定向的高分子便不会有特别限定，但可以举出侧链型高分子液晶、或主链型高分子液晶等在侧链部或主链部具有联苯基之类的棒状价键部位的高分子。
作为定向高分子材料只要具有定向性便可包含一切高分子，例如可以举出聚对苯二甲酸乙二醇酯等聚酯、聚苯乙烯聚乙烯、以及聚丙烯等聚烯烃、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚缩醛、聚砜、聚醚酯、聚醚砜、以及聚氨基甲酸酯等热塑性树脂、多酚、以及硅酮等热固性树脂、或这些的共聚物(嵌段共聚物、接枝共聚物、以及无规共聚物)、蛋白质、DNA、以及RNA。
作为本发明的液晶材料没有特别限定，但可以举出一般的棒状液晶以及圆盘状液晶分子经过选择性地会合而形成的液晶材料等，例如苯并菲系列、酞菁系列、以及卟啉系列的具有圆盘状液晶分子的材料最好。
其中，苯并菲系列的具有圆盘状液晶分子的材料最好，而在优选的1种实施方式中包含下述式表示的苯并菲化合物。
Figure A0281793600101
上述式中的R可以相同或不同，且可举出烷基、烷氧基、烷基苯甲酰氧基、烷氧苯甲酰氧基、以及烷硫基等。作为这些基的烷基部分可举出直链状、环状或支链状的碳数为1～18、优选为4～12、更优选为4～8的脂肪族烃基。其中作为R可举出碳个数为1～18、更好为4～12、再好为4～8的烷氧基。
液晶材料优选在特定温度范围内表现向列相、近晶相、胆甾相、柱状相以及立方相组成的群体中选择的液晶相或有关中间相，且柱状相最好。在这里，所谓有关的中间相是指柱状塑料相、螺旋相、柔性结晶相等。
在本发明，具有对应照射分子材料的某一分子内化学键振动能的波长的红外光。在这里，对于具有流动性的分子材料，特别是对于液晶相的液晶材料以及高分子液晶材料可以采用偏振红外光，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采用偏振光或无偏振红外光，但以下把这些简化为“红外光”。当采用偏振红外光时，可把作为对象的分子定向在依赖于照射光的偏振方向的方向。在本说明书中所谓“偏振方向”是指红外光电向量的振动方向，而“偏振面”则指包含红外光的照射方向与电向量的面。且在偏振红外光中包含直线偏振红外光、圆偏振红外光、以及椭圆偏振红外光。
在这里所说的“把分子定向在依赖于偏振方向的方向”是指分子被定向在分子内化学键的振动跃迁力矩垂直于偏振方向的方向。即在受到某波长的偏振红外光照射时，具有对应振动能的键把分子定向成向着不能吸收偏振红外光的方向即使得偏振方向与化学键的振动方向垂直。
此外，在本发明中可在上述材料上照射具有对应于各分子内的任意化学键的振动激发能量的波长的红外光。
这些红外光具有2.5～25μm范围内的波长(波数为400～4000cm-1)为好，更好为具有2.5～12.5μm范围内的波长(波数为800～4000cm-1)。从这些范围内选择激发各分子的分子骨架以及取代基中至少1个键对应的振动能能级的红外光的波长为好。
例如，作为苯并菲系列的液晶化合物若以在实施例1中使用的六烷氧基苯并菲化合物为例，通过照射引起苯并菲分子核的芳香族C-C键的振动的波长6.19μm(波数1615cm-1)、以及波长6.63μm(波数1509cm-1)、由烷氧基C-O-C键引起的波长6.99μm(波数1431cm-1)、波长7.93μm(波数1261cm-1)、波长8.58μm(波数1166cm-1)、以及波长9.64μm(波数1039cm-1)、由烷基引起的波长3.41μm(波数2932cm-1)、以及波长3.50μm(波数2861cm-1)、芳香族C-H键的面外变角振动引起的波长11.92μm(波数839cm-1)等对应的红外光而液晶分子被重定向。对于一般的棒状结晶、卟啉系列、酞菁系列化合物也可以通过照射对应各化合物吸收带的红外光而重定向液晶分子。
基于振动跃迁的激发是分子内的各化学键吸收固有波长的光而被激发的现象。且如伸缩振动、面外振动等方式，即使对于同一化学键部位，各键振动跃迁力矩的方向也根据吸收的波长而有所不同。由此，在依靠振动激发的分子材料的定向控制方法中通过选择液晶分子中每个化学键所对应的红外光波长进行照射而振动激发分子，从而可以重排液晶分子。
此外，作为对象的分子也无需特别选择各向异性性光吸收分子，从而通过选择照射红外光的波长而可以特殊地振动激发对象分子中的化学键部位。
本发明中若采用偏振红外光，则分子定向特定的方向定向，从而可用作显示装置，或构成光导波路。
本发明中若采用具有偏振二色性的红外光，则液晶分子便定向成平行于红外光入射方向的方向，从而可在液晶片中形成具有光学各向异性性的波导以及各向异性导电路。
本发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种程度的分布。在液晶状态中可认为由于热运动而分子在平面内为旋转的状态，而对称形的液晶分子便不能判别出分子旋转，但对于非对称分子当吸收红外光的部位在特定位置时可认为能够旋转。
通过采用红外光振动激发分子自身而特殊地进行加热，利用所引起的局部的热非平衡状态即具有更大运动性的状态，通过任意调节照射红外光的波长、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进行重定向。
换言之，若向液晶相的液晶分子照射液晶分子内任意键的振动力矩吸收的波长的偏振红外光，利用该液晶分子定向为使该振动力矩的方向和照射光的偏振方向与入射方向成±90度方向的特点而可以控制分子定向。同样对于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。
进而，通过选择照射具有平行于分子骨架平面的振动力矩的振动模式所对应波长的红外光或照射具有垂直于分子骨架平面的振动力矩的振动模式所对应波长的红外光，而不管液晶分子等材料分子为哪一定向方向，也能把分子定向重定向成垂直于照射光的入射方向与偏振方向的面内或面外方向。通过把照射的红外光的偏振面改变±90度，也能对分子定向进行同样的重定向。且把液晶材料夹在2片基片之间，并通过对该液晶材料进行一次或多次不同波长的红外光照射而可以可逆地转换液晶分子平行或垂直于基片的定向。此时，用于夹液晶材料的基片优选可透过照射红外光的材料。
例如，通过利用自由电子激光等具有偏振特性的单色红外光，而特殊地激发分子内化学键的振动能能级，可以利用分子被加热而在局部造成热非平衡状态后，依靠偏振方向而选择性地重定向成特定方向。由此，可进精确的分子定向控制而达到能够进行分子内的每个化学键的方向控制程度。
利用图10～17而进一步对本发明方法的具体例进行详细说明。
图10(i)中表示进行照射的偏振红外光。入射轴为z轴，偏振面为x-z平面。
图10(ii)中表示某圆盘状分子的分子骨架(圆盘内)的键方向。当吸收平行(x-y平面内)于键方向的红外光的伸缩振动时，若照射图10(i)所示的红外光，则键方向便如(iii)所示的方向进行重定向。当为圆盘状分子时，键方向便存在于圆盘分子平面内的所有方向上。
图10(iv)中表示某圆盘状分子的分子骨架(圆盘内)的键方向。当吸收平行(x轴)于结合方向的红外光的伸缩振动时，若照射图10(i)所示的红外光，则键方向便如图10(iii)或图10(v)所示的方向进行重定向(不能确定为唯一值)。当从正上侧照射非偏振的红外光时，便唯一地如图10(v)所示方向进行重定向。
另一方面，在照射吸收垂直(z轴方向)于键方向的红外光的面外变角振动所对应的红外光的情况下，当如图10(v)所示有吸收为垂直于入射光的入射轴方向的振动跃迁力矩的方向时，若照射图10(i)所示的红外光，由于不吸收红外光而定向便保持原样。
最先吸收的振动跃迁力矩的方向如图10(iv)所示时，若照射图10(i)所示的红外光，便如图10(v)或图10(iii)所示，振动跃迁力矩的方向会有指向x-y平面内的x轴方向或z轴方向等2种。在这种情况下，通过取代图10(i)所示的偏振红外光而照射非偏振的红外光，可以唯一地如图10(v)所示吸收到垂直于入射光的入射轴方向的振动跃迁力矩的方向被进行重定向。
·当进行偏振红外光照射时的六-己氧基苯并菲分子定向的方向与照射光的关系
(例1)六己氧基苯并菲(化合物I)为属于液晶相的六角柱柱状中间相或固相，由于照射红外光而被振动激发的振动跃迁力矩在圆盘状分子的圆盘平面内的情况。
·苯并菲骨架部的芳香族C-C键的振动吸收的2个波长分别为6.19μm(1615cm-1)以及6.63μm(1509cm-1)。
·烷氧基部位的吸收波长对于芳香族C-O为7.93μm(1261cm-1)。
·烷氧基部位的芳香族C-O-烷基链C-C键吸收的波长为8.58μm(1166cm-1)。
红外激光通过图1(b)所示的装置从正上侧照射时，圆盘平面如图11(i)所示那样平行于基片面定向的圆盘状分子便重定向为圆盘平面与垂直于照射红外光的偏振面(电场向量的振动面)且垂直于照射光的入射轴的方向平行。此时，圆盘状分子由图11(ii)变化为图11(iii)。
红外激光通过图1(b)所示的装置从正上侧照射时，圆盘平面如图12(i)所示那样垂直于基片面且平行于入射红外光的偏振面定向的圆盘状分子便重定向为圆盘平面与垂直于照射红外光的偏振面(电场向量的振动面)且垂直于照射光的入射轴的方向平行。此时，圆盘状分子由图12(i)变化为图12(ii)。
红外激光通过图1(b)所示的装置从正上侧照射时，圆盘平面如图13(i)所示那样垂直于基片面且垂直于入射红外光的偏振面定向的圆盘状分子的定向不会改变。此时，圆盘状分子在红外光照射前后由图13(i)不产生变化。
(例2)六己氧基苯并菲(化合物I)为属于液晶相的六角柱柱状中间相(中间相)或固相，由于照射红外光而被振动激发的振动跃迁力矩在圆盘状分子的圆盘平面的面外方向的情况。
·进行苯并菲骨架部的芳香族C-H键的振动吸收的波长为11.92μm(839cm-1)。
红外激光通过图1(b)所示的装置从正上侧照射时，圆盘平面如图14(i)所示那样平行于基片面定向的圆盘状分子保持原样而不会改变。
红外激光通过图1(b)所示的装置从正上侧照射时，圆盘平面如图15(i)所示那样垂直于基片面且垂直于入射红外光的偏振面定向的圆盘状分子保持原样而不会改变。
红外激光通过图1(b)所示的装置从正上侧照射时，有圆盘平面如图16(i)所示那样垂直于基片面且平行于入射红外光的偏振面定向的圆盘状分子把圆盘平面定向为垂直于基片面且垂直于入射红外光的偏振面(此时，圆盘状分子由图16(i)变化为图16(ii)。)，或向圆盘状分子定向为圆盘平面平行于基片面的状态进行重定向(此时，圆盘状分子由图16(i)变化为(iii)。)等2种情况，或者两者混合存在。
继而对于非直线偏振(无规偏振、圆偏振等)的例子进行说明。
(例3)六己氧基苯并菲(化合物I)为属于液晶相的六角柱柱状中间相或固相，而由于照射红外光而被振动激发的振动跃迁力矩在圆盘状分子的圆盘平面的面外方向的情况。
·进行苯并菲骨架部的芳香族C-H键的振动吸收的波长为11.92μm(839cm-1)。
红外激光通过图1(b)所示的装置从正上侧照射时，圆盘平面如图17(i)以及(ii)所示那样垂直于基片面(与面内的方向无关)定向的圆盘状分子向圆盘状分子定向为圆盘平面平行于基片面的状态进行重定向。即圆盘状分子由图17(i)以及(ii)变化为图17(iii)。
根据采用这种方法，在基片面内方向假设液晶分子的定向不一致时，也可以把分子平面唯一地重定向成平行于基片面。
以上把实施例1中采用的分子材料作为例子进行了说明，但对于其他分子材料也可以同样地改变定向。
根据本发明，与利用可见光的界面定向技术以及液晶材料定向控制技术不同，即使不具备在可见光领域具有吸收波长的光异构化官能团，也能利用分子内键的振动能吸收，因此可适用于多种液晶材料、高分子液晶材料、还可适用于非晶材料、定向性高分子材料等分子材料。特别是也可以作为由于自我凝集力强而仅通过与基片界面的相互作用则很难得到相同定向的柱状相等液晶的定向控制技术而使用。
而且本发明还可作为能够分别独立控制高分子液晶的主链以及侧链的分子定向控制技术而使用。
在本发明中通过调节红外光的照射方向以及偏振方向，可以控制液晶分子凝集系统而进行重定向。即与采用可见光的光定向控制法相同，在照射红外线上利用偏振，且即使在无偏振时也可以从侧面照射基片。根据这种作法，可以控制圆盘状液晶的柱状向的定向方向。进而，由根据红外波导以及吸量管等利用邻近场效应、以及通过光掩膜(金属膜)而照射红外光，除了能够形成微观结构以外，还可进行利用定向变化时照射红外光强有阈值的特点的精细加工。
在本发明中对于红外光照射时的分子材料的温度没有特别限定。分子材料可以在表示固相或中间相的温度范围，而为高分子材料时可以为玻璃转变点以上或以下。分子材料的温度依赖于物质，但一般为室温至250℃，更好为室温至200℃，最好为室温至180℃。当分子材料的吸光度很小时，优选提升温度。
例如为液晶分子时，优选液晶分子显示固相或中间相的温度范围。例如为六-烷烃基苯并菲时，99℃以下为好，而室温～99℃更好，且69～99℃最好。
此外，对于照射红外光的时间没有特别限定，但通常为0～10小时，1毫秒～30分钟为好一些，更好为1毫秒～5分钟，特好为1毫秒～1分钟。
当分子材料为高分子材料时，分子材料可以是薄片、薄板、膜、以及平板等。厚度为1nm～10hm，而100nm～1mm为好一些，更好为1μm～200μm，特别好为1～100μm，最好为1～50μm。厚1cm量的材料可以只改变表面的分子定向。
当液晶时，液晶材料的厚度为10nm～100μm好一些，更好为100nm～50μm，再好为1～10μm。
此外，照射的红外光的光强度依赖于光照射对象物的温度、粘度、以及流动性，但0.1～100Mw左右为好。
由于可以选择性地振动激发分子内特殊官能部位的化学键，能够以不同波长对材料进行数次红外激光照射或同时照射而分别控制分子内每个官能部位的定向。因此，可以提供除了液晶还可利用高分子以及有机薄膜的定向膜等功能性材料以及用于各种元件构筑的全新结构构筑技术。例如，把固体聚合物加热到该玻璃转变点与融点之间，则固体聚合物也可以进行定向。此时，加热温度也可以是玻璃转变点以下。对于液晶分子而言，不仅在呈现液晶状态的温度范围内，而在比结晶等液晶排列整齐的状态下也可进行重定向。
根据本发明，通过照射2次以上的红外光而能够把该分子的定向转换成垂直于入射光轴的平面的面内以及面外的方向。
本发明的分子定向的保持性依赖于液晶状态的温度，从而在液晶状态下随温度变低而定向也稳定。
分子定向控制装置
本发明的分子定向控制装置具备红外光照射部(例如射束控制器)、以及属于红外光照射对象物的分子材料的安放部。根据需要还可以包括能够旋转的红外偏光镜或偏振元件，或者聚光系统的透镜或聚光凹透镜(参照图1)。
偏振元件包括偏光镜、偏光滤光器、波长板、以及格兰-汤姆森棱镜等。且还可通过其他反射镜组合控制偏振方向(图9)。作为偏振方向控制装置例示了例如能够旋转的偏光镜或偏振元件。
上数红外光照射部与上述安放部之间的距离依靠聚光系统的透镜或聚光凹透镜的焦距而发生变化，但在使用聚光系统时希望在焦点附近。
红外光照射部发生红外光，且可以具有偏振二色性，但更希望具有直线偏振性而可以改变波长。但即使同时发生可见光也无大碍。
红外光也可以是激光以及通过分光仪进行单频化(单色化)的光。
红外光的波长以相当于分子内的化学键的振动激发能的波长为好。例如芳香族系列的液晶分子中振动激发属于分子骨架部分的芳香族部分的化学键，在容易控制重定向后的定向方向的点上是适合的。在其他分子材料中也激发侧链或取代基以外的主要结构(分子骨架)、或直接与分子骨架结合的取代基的分子骨架的化学键为好。
光强度则依赖于光照射对象物的温度状态，但可以例示为0.1～100mW左右为好。
作为本发明的红外光的波长控制装置例如可举出自由电子激光、或者红外线光源与分光仪(单色仪)的组合体。
红外光照射也可以是连续照射或脉冲照射。当脉冲照射时，照射时间依赖于温度，但以100毫秒至20分钟为好。在优选的1种实施方式中脉冲数为5～15大脉冲/秒左右，而1大脉冲由300～500微脉冲构成。照射量为1mJ至5mJ左右。照射强度条件也随成为对象的红外吸收方式的吸光度而变化。
根据本发明，也可以对柱状相等粘性高的高秩序的液晶系列进行重定向。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长时间稳定地保持重定向区域的定向。
该安放部为能够保持具有流动性的物质的结构，优选能够进行温度控制，且优选移动乃至能够旋转的。对于温度控制，配备加热器与感应温度的传感器，从而根据传感器测量的温度把加热器的开关置为开、关为好。控制温度的幅度为室温～200℃左右。该安放部的移动量没有特别限定，但与安放部的面水平方向是1μm～5mm。以及垂直方向而言该安放部的旋转为+90～-90度左右为好。
对于本发明的良好实施方式的1种，入射光的方向对于红外光照射部为一定方向，且也可以设置多个照射装置。作为入射方向控制部举出了反射镜(图9)、能够旋转的偏光镜或偏振元件、以及插入到光程中的位相板等。且也可以通过旋转被照物而控制入射方向。反射镜类与上述聚光透镜的配置关系以哪一方作为光源侧都可以。
入射方向中1成左右的角度变化是允许范围内。
在本发明中不单对于液晶物质而对于高分子以及有机薄膜等广范围的材料可以应用根据红外光照射进行的分子定向控制技术。通过红外光照射而被控制分子定向的液晶材料、高分子膜、以及有机薄膜等分子材料可用作光记录材料、导电性材料、光波导、以及位相差膜等。且本发明不仅作为电子相片感光体、电场发光元件用电荷输送材料、液晶元件用等各种定向膜等的电子材料、以及光电材料的高性能化技术而使用，还可作为利用高分子的元件的全新微观结构制作技术而使用。进而可以控制分子内每个化学键的定向方向，因此本发明可用于更高性能的材料开发。
此外，把经过红外光照射而定向的材料的分子结构通过光聚合作用或光固化、与基片的交联作用、聚合等进行固化而得出的元件在很大的温度范围内用作功能性元件。
再者，将根据本发明的分子定向控制方法控制了分子定向的导电材料配置于玻璃或涂了ITO透明导电膜以及金属薄膜的基片间，从而可以形成光电元件。
实施例1
Figure A0281793600221
在图1(b)所示的装置(对象物的上下线相当于基片)，在呈现中间相的温度94℃，从斜上方向分子平面与基片一样平行定向的六角柱柱状液晶的六-烷烃基苯并菲(化合物I)照射具有苯并菲骨架部的芳香族C-C键振动吸收的波长6.19μm(1615cm-1)的偏振二色性的红外线激光脉冲时，则照射部分的领域结构发生变化(图2的(a)→(b))，而分子定向变化为分子平面与基片一样垂直定向。红外线激光脉冲的照射时间随着照射条件而发生变化，但通常为数秒至数分钟。
进而，对把该红外线激光脉冲的偏振方向旋转90°后的区域进行照射，则由于先前的照射而分子平面定向成垂直与基片的定向的领域再次变回初始状态的分子平面与基片一样的水平定向，从而在偏振光显微镜像上形成暗区(图2的(b)→(c))。
图2中，(a)为照射前的偏振光显微镜像，(b)为从斜向照射具有波长为6.19μm(1615cm-1)的偏振二色性的红外线激光脉冲时的正交尼可尔棱镜下的偏振光显微镜像，(c)为对把照射光的偏振方向旋转90°后的区域进行照射时的偏振光显微镜像。
此外，当照射没有红外吸收带的波长5.95μm(1681cm-1)的红外线激光脉冲时，则不会在偏振光显微镜像上发现变化。
此外，即使在80°时对分子平面与基片一样水平定向的六角柱柱状液晶照射红外线激光脉冲(照射时间：数秒至数分)，照射部分的领域结构也发生变化，而分子定向一样地变化的分子平面垂直于基片的定向。
(实施例2)
在图1(b)所示的装置，在呈现中间相的温度，从斜上方向对分子平面与基片一样水平定向的六角柱柱状液晶(化合物I)照射具有苯并菲骨架部的芳香族C-C键振动吸收的波长6.63μm(1509cm-1)的偏振二色性的红外线激光脉冲(照射时间：数秒至数分钟)，则照射部分的领域结构发生变化(图3的(a)→(b))，而分子定向变化到分子平面与基片垂直定向。
即使停止红外线激光的照射，变化了一次定向的部分也被保持。
图3中，(a)为照射前的偏振光显微镜像，(b)为从斜向照射具有波长为6.63μm(1509cm-1)的偏振二色性的红外线激光脉冲时的正交尼可尔棱镜下的偏振光显微镜像。
(实施例3)
在图1(b)所示的装置，在呈现中间相的温度，从斜上方向28分子平面与基片一样水平定向的六角柱柱状液晶(化合物I)照射具有化合物I的烷氧基部位的芳香族C-O-链C键吸收的波长8.58μm(1166cm-1)的偏振二色性的红外线激光脉冲(照射时间：数秒至数分钟)，则照射部分的领域结构发生变化(图4的(a)→(b))，而分子定向变化为分子平面垂直于基片的定向。
(实施例4)
延续实施例3，通过同样的图1(b)所示的装置继续照射苯并菲骨架部的芳香族C-H键振动吸收的波长(11.92μm，839cm-1)所对应的红外激光时，由于实施例3的红外光照射而分子平面变化为垂直于基片的定向的部分再次转变成分子平面与基片一样的水平定向。这些工序可以可逆进行。
(实施例5)
图1(a)所示的装置，预先照射对液晶分子(化合物I)的圆盘平面的面内方向的具有振动跃迁力矩的芳香族C-C键吸收所对应的波长6.19μm(1615cm-1)的红外光时，重定向为分子平面垂直于基片的定向(图5(1))。接着，对此重定向的部分照射对液晶分子的圆盘平面的面外方向的具有振动跃迁力矩的芳香族C-H键所对应的波长11.92μm(839cm-1)的红外光激光脉冲(照射时间：数秒至数分钟)时，分子平面垂直于基片定向的部分的定向方向转换为水平定向(图5的(1)→(3))。再次照射6.19μm(1615cm-1)的红外光时，定向再度变成分子平面垂直于基片的定向(图5的(3)→(5))。
将图5的(1)、(3)以及(5)的试样分别旋转45°，则光照射部分变暗的特性已被确认(分别为图5的(2)、(4)以及(6))。
图5中，(1)～(6)为正交尼可尔棱镜下的偏振光显微镜像。
(实施例6)
通过图1(a)所示的装置在94℃下，将烷氧基部位的芳香族C-O键红外吸收的波长7.93μm(1262cm-1)的具有偏振二色性的红外线激光脉冲进行H字型扫描地对分子平面与基片一样水平定向的六角柱柱状液晶(化合物I)进行照射。照射时间为1分钟。照射量为约500mj。聚光系统的透镜间的焦距为130mm。其结果，照射部分的领域结构发生变化，而分子定向从分子平面水平于基片的定向变为相同的垂直定向。
进行H字型扫描而红外激光照射停止后，把载物台旋转45°而进行偏振光显微镜观察时，确认光照射部分变量(图6)。
图6中，(a)为照射波长为7.93μm(1262cm-1)的图7所示的具有偏振特性的红外激光脉冲时的正交偏光镜下的偏振光显微镜像，(b)为把载物台旋转45°后的像，(c)为再旋转45°后的像，(d)为在(a)情况下的检偏镜(A方向)、以及偏光镜(P方向)的方向，(e)为在(a)情况下的所照射的红外激光脉冲光的偏振方向。
此外，即使停止红外线激光的照射，变化了一次定向的部分也被保持着。在90℃下，定向至少保持数小时。在80℃时则可保持一晚以上。
此外，发生变化的领域部的光轴方向以±90°的关系向激发为红外线脉冲激光的偏振方向的振动激发的跃迁力矩方向变化(图7以及8)。
同样地通过利用反射镜类而改变照射红外光的偏振面方向而进行照射，也可以进行保持了同样关系的分子定向控制(图9)。
(实施例7)
从正上侧向在室温下一轴定向的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄片(25μm厚度、东丽鲁米拉)，分别在室温、80℃、130℃、180℃的温度下，利用加尔瓦尼反射镜进行扫描而分别照射1分钟的酯键的羧基部为的C＝O键吸收的波长(1726cm-1，5.79μm)或高分子薄片吸收的某波长(1019cm-1，9.82μm)或波长(1409cm-1，7.10μm)对应的偏振红外线激光脉冲(8～15mW)，则所有情况下的照射部分的定向产生变化，其结果，光学位相差发生变化。图18的(a)为波长为5.79μm时的偏振光显微镜像。
通过偏振光显微镜确认了可根据一次大脉冲改变定向的事实。
红外激光的照射停止后，将载物台旋转45°而进行偏振光显微镜观察的结果，光照射部分变暗(图18的(a)→(b))。且即使停止红外线激光的照射，改变了一次定向的部分也仍被保持着。
根据本发明地利用偏振红外光的分子定向控制方法，对液晶相以及固相的液晶材料以及高分子液晶材料，通过利用重定向为照射光的偏振方向的该分子以及该分子内的官能部位的分子定向方向间的关系而可提供一种用偏振红外激光照射的精确的分子定向控制方法。
根据本发明，不仅对于液晶状态等中间相状态，而对于固体状态，也可以进行基于红外光照射的分子定向。由此，不仅对于液晶物质，而对于高分子以及有机薄膜等很广的范围内的材料，也可以应用基于红外光照射的分子定向控制技术。
与利用可见光的界面定向以及液晶分子定向技术不同，在不具有由可见光进行光构反应的特殊的官能团时，也可以通过选择对液晶分子骨架的一部位进行振动能能级激发的红外光波长，可以对在红外领域具有吸收带的多种化合物进行分子定向控制。
特别是对于仅由与基片界面间的相互作用很难得到一样的定向且自身凝集性强的柱状相等液晶，控制其纵轴方向，从而可以一样地进行定向。
进而，根据本发明，可以选择性地振动激发分子内的特殊官能部位的化学键，因此通过由不同波长进行数次红外激光照射而可以分别控制分子内的每个官能部位。与对1处的化学键照射红外线而改变分子的定向方向的以往方法相比，在本发明的方法中，与分子整体的定向方向是否发生变化无关，而对于分子内的多个键部位改变键方向的结果，分子内产生扭转，从而还可以改变分子内的结构。本发明的方法例如可应用在光学薄膜的多次折射率的调整、控制立体结构的后的反应、或者高分子交联中。
此外，本发明也可作为分别独立控制高分子中的主链、侧链的分子定向控制技术而使用。
并且由此可提供一种全新的用于构筑不限于液晶而利用高分子以及有机薄膜的定向膜等功能材料以及各种元件结构构筑技术。
本发明中根据照射红外光，根据利用运用了红外导波路、小孔、金属针、以及吸量管等的散射的邻近场效应、以及通过光掩膜照射红外光而可应用在纳级加工上。还可进行利用定向变化时照射红外光强有阈值的特点的精细加工。
此外，本发明通过转换定向方向而可提供可重写的记录元件、或可改变光程的光波导元件。
本发明通过可以控制分子内每个化学键的定向方向而可展望用于更高性能的材料开发。

Claims (23)

1.一种分子材料的定向控制方法，其特征在于，
通过对分子材料照射红外光而使材料分子定向。
2.根据权利要求1所述的方法，其中
红外光为偏振红外光。
3.根据权利要求1所述的方法，其中
分子材料为从液晶材料、非晶材料、塑性结晶材料、高分子液晶材料以及定向高分子材料组成的材料群中选择的至少1种。
4.根据权利要求3所述的方法，其中
液晶材料形成了液晶相。
5.根据权利要求3所述的方法，其中
液晶材料形成了固相。
6.根据权利要求1所述的方法，其中
照射能够吸收分子材料分子内的任意键的振动力矩的波长的红外光，从而把该分子定向为相对于照射光的偏振方向或入射方向而言，该振动力矩方向垂直于偏振方向或平行于入射方向。
7.根据权利要求1所述的方法，其中
该分子材料夹在2片基片之间，并通过从垂直或平行于基片的方向多次照射从入射方向、偏振方向以及波长组成群中选择的至少1种互相不同的偏振红外光，该分子材料的定向可以可逆的转换平行或垂直于该基片的定向。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
通过进行同时或多次不同波长的红外光照射而把材料分子内每片段的定向控制为所期望的方向。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
红外光具有2.5～25μm范围内的波长。
10.根据权利要求1所述的方法，其中
红外光为激光。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
该分子材料夹在2片基片之间，通过进行2次以上的红外光照射而在相对于基片面的面内以及面外方向上转换该分子的定向。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
该分子材料是在特定的温度范围内表现从向列相、近晶相、胆甾相、柱状相以及立方相组成的群体中选择的液晶相或有关的中间相，并通过照射红外光而改变分子定向的液晶分子。
13.根据权利要求12所述的方法，其中
该材料为柱状相。
14.一种功能性材料，其中通过权利要求1的方法控制了分子定向。
15.根据权利要求14所述的材料，其中
功能性材料为光记录材料、导电性材料、光学元件或光波导。
16.根据权利要求14所述的材料，其中
功能性材料是通过光聚合、光交联或光固化而使该材料分子被固定的光记录材料。
17.一种分子材料的定向控制装置，其具有红外光照射部以及分子材料的安放部。
18.根据权利要求17所述的装置，其具有把红外光转换成偏振红外光的偏振元件。
19.根据权利要求17所述的装置，其具有红外光的入射方向控制部。
20.根据权利要求17所述的装置，其具有偏振方向控制装置。
21.根据权利要求17所述的装置，其具有红外光的波长控制装置。
22.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，
红外光的波数在400cm-1～4000cm-1(2.5μm～25μm)范围内，且具有偏振二色性。
23.根据权利要求17所述的装置，其中
所述安放部具有把分子材料控制在表现液晶相或中间相的特定的温度范围内的温度控制部。
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