DE112011105620T5 - Photorefractive composite - Google Patents

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Wei Jiang
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen photorefraktiven Verbundstoff, der einen Lochleiter, eine nichtlineare optische Einheit und einen Sensibilisator umfasst, wobei der Sensibilisator C12-4Cl-Diperylenbisimid ist, und die Verwendung des photorefraktiven Verbundstoffs mit C12-4Cl-Diperylenbisimid in Holographietechniken, in der Optik und Laseroptik oder in photovoltaischen Zellen, organischen Feldeffekttransistoren und organischen Leuchtdioden.The present invention relates to a photorefractive composite comprising a hole conductor, a nonlinear optical unit and a sensitizer, the sensitizer being C12-4Cl diperylene bisimide, and the use of the photorefractive composite with C12-4Cl diperylene bisimide in holographic techniques, in optics and Laser optics or in photovoltaic cells, organic field effect transistors and organic light emitting diodes.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen photorefraktiven Verbundstoff. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Sensibilisatoren für photorefraktive Verbundstoffe.The present invention relates to a photorefractive composite. In particular, the present invention relates to sensitizers for photorefractive composites.

Moderne Technologien, zum Beispiel Laser, LEDs und Glasfaserkommunikation, erfordern und motivieren die weitere Vervollkommnung neuer Materialien unter Erforschung anwendbarer Materie-Licht-Wechselwirkung. Der bereits erreichte, beachtliche Fortschritt in der Entwicklung von photoempfindlichen und photoleitenden Materialien ermöglicht die Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität innerhalb von Solarzellen. Erwähnenswert ist auch die Herstellung von elektrooptischen Vorrichtungen, wie beispielsweise LCD in Flachbauform, basierend auf den Lichtmodulationseigenschaften von Flüssigkristallen. Eine besondere Art von Material, das mit Licht in Wechselwirkung tritt, ist photorefraktives Material. Die nützlichen Eigenschaften von Photoleitfähigkeit und Elektrooptik kombinierend können photorefraktive Materialien unter ungleichmäßiger Beleuchtung mit Licht ihren Brechungsindex ändern. Dieser spezifische Mechanismus macht sie zu vielversprechenden Kandidaten für zukünftige Anwendungen, wie beispielsweise holographische Datenspeicherung mit hoher Dichte, holographische Abbildung von lebendem Gewebe und 3D-Echtzeit-Bildanzeigen. Daher haben die kontinuierliche Datenzunahme, die medizinische Diagnostik und die Unterhaltungsindustrie einen dringenden Bedarf an innovativen Hochleistungsmaterialien mit Brechungsindexmodulationsansatz. Außerdem sind photorefraktive Materialien zur Realisierung von nanophotonischen Bauelementen zur optischen Informationsverarbeitung unerlässlich. Aber trotz der wachsenden Nachfrage haben unüberwindbare Nachteile wie hohe Produktionskosten und Langzeitfertigung den definitiven Fortschritt seit der ersten Beobachtung der photorefraktiven Phänomene durch Ashkin im Jahre 1966 in einem anorganischen Kristall gehemmt. Dennoch zeichnete sich durch den Ersatz der anorganischen Kristalle durch photoempfindliche und elektrooptische organische Materialien ein beachtlicher Erfolg ab. Ihre Vorteile umfassen kostengünstige Synthese, leichte Modifikation und schnelle Fertigung.Modern technologies, such as lasers, LEDs and fiber optic communication, require and motivate the further development of new materials while exploring applicable matter-light interactions. The already achieved, considerable progress in the development of photosensitive and photoconductive materials enables the conversion of sunlight into electricity within solar cells. Also worth mentioning is the production of electro-optical devices, such as flat-panel LCDs, based on the light-modulating properties of liquid crystals. One particular type of material that interacts with light is photorefractive material. Combining the useful properties of photoconductivity and electro-optics, photorefractive materials can change their refractive index under uneven illumination with light. This specific mechanism makes them promising candidates for future applications, such as high-density holographic data storage, holographic imaging of living tissue, and 3D real-time image displays. Therefore, continuous data growth, medical diagnostics and the entertainment industry have an urgent need for innovative refractive index modulating high performance materials. In addition, photorefractive materials are indispensable for the realization of nanophotonic devices for optical information processing. But despite growing demand, insurmountable drawbacks such as high production costs and long-term production have hampered the definitive advance since Ashkin's first observation of the photorefractive phenomena in 1966 in an inorganic crystal. Nevertheless, the replacement of inorganic crystals by photosensitive and electro-optical organic materials has been a considerable success. Their advantages include cost-effective synthesis, easy modification and fast manufacturing.

In den letzten 20 Jahren wurden zwar zahlreiche organische photorefraktive Materialien aufgezeigt und potenziell wichtigen Anwendungen angenähert, aber der erhoffte Durchbruch lässt weiter auf sich warten. Der Hauptgrund für das Ausbleiben des erwarteten Erfolgs ist die unzureichende Photoleitfähigkeit bei der gewünschten Wellenlänge, die aus der unwirksamen Ladungsträgererzeugung während der Beleuchtung mit Licht resultiert. Photoleitfähigkeit in organischen Materialien zum Beispiel kann durch Dotieren eines leitfähigen Polymers mit einem Licht absorbierenden Molekül, genannt Sensibilisator, erreicht werden.While many organic photorefractive materials have been identified and potentially approached in the last 20 years, the breakthrough they are hoping for will not be forthcoming. The main reason for the lack of expected success is the inadequate photoconductivity at the desired wavelength resulting from inefficient carrier generation during illumination with light. Photoconductivity in organic materials, for example, can be achieved by doping a conductive polymer with a light absorbing molecule called a sensitizer.

Im Allgemeinen enthält dieser Verbundstofftyp einen polymeren Lochleiter, eine stabformähnliche nichtlineare optische Einheit und einen Sensibilisator. In diesen gleichfeldvorgespannten Gemischen ist ein photorefraktiver Effekt zu beobachten, wenn folgende Prozesse stattfinden: Der Sensibilisator absorbiert optische Strahlung eines Lichtmusters, wodurch Ladungsträger in den Regionen hoher Lichtintensität erzeugt werden. Während die Sensibilisator-Anionen danach immobil bleiben, werden die mobilen positiven Ladungsträger durch das Polymer in die dunklen Regionen transportiert, wo sie eingefangen werden. Dies führt zur Bildung eines Raumladungsfeldes Esc, das die nichtlinearen optischen Moleküle umordnet und dadurch die Brechungsindexänderung Δn bewirkt. Diese induzierte Indexmodulation ist in Bezug auf das einfallende Lichtmuster phasenverschoben. Gemäß der Neuausrichtung der nichtlinearen optischen Einheiten in Materialien mit niedriger Glasübergangstemperatur wird die Brechungsindexänderung des Materials stark vom Effekt der Orientierungsverstärkung beeinflusst.In general, this type of composite contains a polymeric hole conductor, a rod-shape-like non-linear optical unit, and a sensitizer. In these DC biased mixtures, a photorefractive effect is observed when the following processes take place: The sensitizer absorbs optical radiation of a light pattern, thereby generating charge carriers in the regions of high light intensity. While the sensitizer anions remain immobile thereafter, the mobile positive charge carriers are transported by the polymer into the dark regions where they are trapped. This leads to the formation of a space charge field E sc , which rearranges the nonlinear optical molecules and thereby causes the refractive index change Δn. This induced index modulation is phase shifted with respect to the incident light pattern. According to the reorientation of the non-linear optical units in low glass transition temperature materials, the refractive index change of the material is strongly influenced by the effect of the orientation gain.

Obwohl der Gehalt des Sensibilisators in einem photorefraktiven Verbundstoff sehr niedrig ist, spielt er eine entscheidende Rolle bei der Ladungserzeugung und infolgedessen der Photoleitfähigkeit. Es ist allgemein bekannt, dass die photorefraktiven Dynamiken von der Photoleitfähigkeit des photorefraktiven Verbundstoffs stark beeinflusst und sogar eingeschränkt werden. Ein allgemein bekannter und verwendeter Sensibilisator ist [6,6]-Phenyl-C61-buttersäuremethylester (PCBM), der als Material vom n-Typ erfolgreich in organischen Feldeffekttransistoren, Photodetektoren und photovoltaischen Zellen eingesetzt wurde. Bei beiden Bauelementen müssen jedoch die Photorefraktionsgeschwindigkeit und die Lichtempfindlichkeit verbessert werden. Demnach besteht nach wie vor ein Bedarf an innovativen Sensibilisatoren.Although the content of the sensitizer in a photorefractive composite is very low, it plays a crucial role in charge generation and, as a result, photoconductivity. It is well known that the photorefractive dynamics are strongly influenced and even limited by the photoconductivity of the photorefractive composite. A well-known and used sensitizer is [6,6] -phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM), which has been successfully used as an n-type material in organic field effect transistors, photodetectors and photovoltaic cells. In both devices, however, the photorefraction speed and photosensitivity must be improved. As a result, there is still a need for innovative sensitisers.

Daher war die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe die Bereitstellung eines Sensibilisators, der in photorefraktiven Verbundstoffen verwendet werden kann.Therefore, the object underlying the present invention was to provide a sensitizer which can be used in photorefractive composites.

Das Problem wird durch einen photorefraktiven Verbundstoff gelöst, der einen Lochleiter, eine nichtlineare optische Einheit und einen Sensibilisator umfasst, wobei der Sensibilisator C12-4Cl-Diperylenbismid gemäß der folgenden Formel (1) ist:

Figure DE112011105620T5_0002
The problem is solved by a photorefractive composite comprising a hole conductor, a non-linear optical unit and a sensitizer, wherein the sensitizer is C12-4Cl diperylene bismuth according to the following formula (1):
Figure DE112011105620T5_0002

Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „C12-4Cl-Diperylenbisimid” auf die Verbindung gemäß Formel (1). Die Verbindung gemäß Formel (1) wird als C12-4Cl-Diperylenbisimid oder C12-4Cl-DiPBI bezeichnet. C12-4Cl-Diperylenbisimid kann gemäß der IUPAC-Nomenklatur auch als 2,3,13,14-Tetrachlor-6,10,17,21-tetradodecylpyranthreno[6,7,8-def:14,15,16-d'e'f':3,4,5-d''e''f''g'':11,12,13-d'''e'''f'''g''']tetraisochinolin-5,7,9,11,16,18,20,22(6H,10H,17H,21H)-octaon bezeichnet werden.As used herein, the term "C12-4Cl diperylene bisimide" refers to the compound of formula (1). The compound of the formula (1) is referred to as C12-4Cl diperylene bisimide or C12-4Cl diPBI. C12-4C1-Diperylenebisimide may also be prepared as 2,3,13,14-tetrachloro-6,10,17,21-tetradodecylpyranthreno [6,7,8-def: 14,15,16-d'e. According to the IUPAC nomenclature 'f': 3,4,5-d''e''f''g '': 11,12,13-d '' 'e' '' f '' 'g' ''] tetraisochinolin-5, 7,9,11,16,18,20,22 (6H, 10H, 17H, 21H) octaone.

Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „Photorefraktivität” auf die reversible Änderung des Brechungsindexes während inhomogener Beleuchtung mit Licht. Photorefraktivität benötigt neben der Photoleitfähigkeit eine elektrooptische Antwort.As used herein, the term "photorefractivity" refers to the reversible change in refractive index during inhomogeneous illumination with light. Photorefractivity requires, in addition to photoconductivity, an electro-optic response.

Überraschenderweise wurde festgestellt, dass C12-4Cl-Diperylenbisimid (C12-4Cl-DiPBI) eine ausgezeichnete Bearbeitbarkeit von photorefraktiven Materialien im gesamten Bereich des sichtbaren Lichts bereitstellt. Die Absorption eines photorefraktiven Verbundstoffs mit C12-4Cl-Diperylenbisimid (C12-4Cl-DiPBI) erfasst den gesamten Bereich des sichtbaren Lichts, wobei Maxima in der Blau-, Grün- und Rotregion zu beobachten sind, und ist besonders vorteilhaft, da der bekannte Sensibilisator [6,6]-Phenyl-C61-buttersäuremethylester (PCBM) kaum absorbierend ist und selbst Monoperylenbisimid vorzugsweise nur blaues und grünes Licht absorbiert.Surprisingly, it has been found that C12-4Cl diperylene bisimide (C12-4Cl-DiPBI) provides excellent workability of photorefractive materials in the full range of visible light. The absorption of a photorefractive composite with C12-4Cl-diperylenebisimide (C12-4Cl-DiPBI) captures the full range of visible light, with peaks in the blue, green, and red regions, and is particularly advantageous since the known sensitizer [6,6] -phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) is hardly absorbing and even monoperylenebisimide absorbs preferably only blue and green light.

Vorteilhafterweise wurde festgestellt, dass C12-4Cl-Diperylenbisimid (C12-4Cl-DiPBI) den Wirkungsgrad der photoelektrischen Erzeugung gegenüber bekannten Sensibilisatoren, wie beispielsweise [6,6]-Phenyl-C61-buttersäuremethylester (PCBM), erhöht und dadurch die zum Schreiben eines Hologramms erforderliche Zeit um einen Faktor von 39 verkürzt. Solch eine Verbesserung kann dem Bedarf an Stabilität des Versuchsaufbaus gegen mechanische Umgebungsstörungen entgegenwirken und sogar 3D-Abbildung von beweglichen Objekten ermöglichen. Es ist ferner vorteilhaft, dass C12-4Cl-Diperylenbisimid bei nur einem Viertel der Sensibilisatorkonzentration eine doppelt so hohe photorefraktive Leistung wie PCBM bereitstellen kann.Advantageously, it has been found that C12-4Cl-diperylenebisimide (C12-4Cl-DiPBI) increases the photoelectric generation efficiency over known sensitizers such as [6,6] -phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM), thereby increasing the ability to write a Hologram required time shortened by a factor of 39. Such an improvement may counteract the need for stability of the experimental set-up against environmental mechanical disturbances and even allow 3D imaging of moving objects. It is also advantageous that C12-4Cl diperylene bisimide can provide twice as high photorefractive power as PCBM at only one quarter of the sensitizer concentration.

Außerdem stellt C12-4Cl-Diperylenbisimid (C12-4Cl-DiPBI) eine starke Absorption von sichtbarem Licht, hohe Fluoreszenzquantenausbeute und ausgezeichnete Photostabilität, hohe Elektronenaffinität und Ladungsträgermobilität bereit. Überdies stellt C12-4Cl-Diperylenbisimid außerordentliche thermische, chemische und physikalische Stabilität bereit. Daneben ist C12-4Cl-Diperylenbisimid hochlöslich in üblichen Lösungsmitteln, wie Toluol, Tetrahydrofuran, Thiophen und Cyclohexanon.In addition, C12-4Cl diperylene bisimide (C12-4Cl-DiPBI) provides strong visible light absorption, high fluorescence quantum yield, and excellent photostability, high electron affinity, and charge-carrier mobility. Moreover, C12-4Cl diperylene bisimide provides exceptional thermal, chemical and physical stability. In addition, C12-4Cl diperylene bisimide is highly soluble in common solvents such as toluene, tetrahydrofuran, thiophene and cyclohexanone.

Der photorefraktive Verbundstoff kann eine hohe Verstärkung und eine schnelle photorefraktive Reaktion bereitstellen. Ferner kann der photorefraktive Verbundstoff vorteilhafterweise gegen hohe elektrische Felder beständig sein. Vorteilhafterweise zeigt der photorefraktive Verbundstoff keine Phasentrennung und keine Kristallisation. Ferner ist die Glasübergangstemperatur des photorefraktiven Verbundstoffs nahe der Umgebungstemperatur.The photorefractive composite can provide high gain and fast photorefractive response. Furthermore, the photorefractive composite may advantageously be resistant to high electric fields. Advantageously, the photorefractive composite exhibits no phase separation and no crystallization. Further, the glass transition temperature of the photorefractive composite is near the ambient temperature.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Verbundstoff C12-4Cl-Diperylenbisimid in einer Menge im Bereich von ≥ 0,001 Gew.-% bis ≤ 1 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von ≥ 0,002 Gew.-% bis ≤ 0,5 Gew.-%, insbesondere im Bereich von ≥ 0,01 Gew.-% bis ≤ 0,348 Gew.-% und ganz besonders im Bereich von ≥ 0,01 Gew.-% bis ≤ 0,122 Gew.-% bezogen auf eine Gesamtmenge des Verbundstoffs von 100 Gew.-%.In a preferred embodiment, the composite comprises C12-4Cl-diperylenebisimide in an amount in the range of ≥ 0.001 wt .-% to ≤ 1 wt .-%, preferably in the range of ≥ 0.002 wt .-% to ≤ 0.5 wt. %, in particular in the range of ≥ 0.01 wt .-% to ≤ 0.348 wt .-% and more particularly in the range of ≥ 0.01 wt .-% to ≤ 0.222 wt .-% based on a total amount of the composite of 100 wt .-%.

Gewichtsprozent, Gewichts-% oder Gew.-% sind Synonyme, die sich auf die Konzentration einer Komponente als das Gewicht der Komponente geteilt durch das Gewicht der Zusammensetzung und multipliziert mit 100 bezieht. Die Gewichtsprozente (Gew.-%) der Komponenten sind basierend auf der Gesamtgewichtsmenge der Zusammensetzung berechnet, sofern nicht anders angegeben.Percent by weight, by weight or by weight are synonyms referring to the concentration of a component as the weight of the component divided by the weight of the composition and multiplied by 100. The weight percentages (wt.%) Of the components are calculated based on the total weight of the composition, unless otherwise specified.

Photorefraktive Verbundstoffe, die eine niedrige Konzentration von C12-4Cl-Diperylenbisimid (C12-4Cl-DiPBI) aufweisen, haben sich als außergewöhnlich wirksam erwiesen. Zum Beispiel können photorefraktive Verbundstoffe, die C12-4Cl-Diperylenbisimid enthalten, bei nur einem Viertel der Sensibilisatorkonzentration eine doppelt so hohe photorefraktive Leistung wie PCBM bereitstellen. Es ist insbesondere vorteilhaft, dass die Sensibilisatormenge in photorefraktiven Verbundstoffen deutlich verringert werden kann.Photorefractive composites that have a low concentration of C12-4Cl diperylene bisimide (C12-4Cl-DiPBI) have been found to be exceptionally effective. For example, photorefractive composites containing C12-4Cl diperylene bisimide can provide twice the photorefractive power of PCBM at only one quarter of the sensitizer concentration. It is particularly advantageous that the amount of sensitizer in photorefractive composites can be significantly reduced.

Der photorefraktive Verbundstoff enthält neben einem Sensibilisator einen Lochleiter und eine nichtlineare optische Einheit. The photorefractive composite contains, in addition to a sensitizer, a hole conductor and a non-linear optical unit.

Der Lochleiter ist vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt, die polymere Carbazolderivate, Poly(p-phenylenvinylen)-Derivate, N,N'-Bis(3-methylphenyl)-N,N'-diphenylbenzidin, polymere Derivate von N,N'-Bis(3-methylphenyl)-N,N'-diphenylbenzidin, Polythiophene, p-leitende Rylen-Farbstoffe, Tri-p-tolylamin, Pentacen und/oder Anthracen umfasst.The hole conductor is preferably selected from the group consisting of polymeric carbazole derivatives, poly (p-phenylenevinylene) derivatives, N, N'-bis (3-methylphenyl) -N, N'-diphenylbenzidine, polymeric derivatives of N, N'-bis (3-methylphenyl) -N, N'-diphenylbenzidine, polythiophene, p-type rylene dyes, tri-p-tolylamine, pentacene and / or anthracene.

Nichtpolymere Lochleiter, wie beispielsweise p-leitende Rylen-Farbstoffe, Tri-p-tolylamin, Pentacen und Anthracen können in nichtpolymerer Form verwendet werden. Vorzugsweise können diese Lochleiter in Polymerform zum Beispiel in einem Gemisch mit einem Polymer, wie beispielsweise Polystyrol, oder als eine funktionelle Gruppe eines Polymers verwendet werden. Ferner werden leitfähige Derivate von Pentacen und Anthracen, insbesondere 6,13-Bis(triisopropylsilylethynyl)pentacen (TIPS-Pentacen), bevorzugt.Non-polymeric hole conductors such as p-type rylene dyes, tri-p-tolylamine, pentacene and anthracene can be used in non-polymeric form. Preferably, these hole conductors may be used in polymer form, for example, in admixture with a polymer, such as polystyrene, or as a functional group of a polymer. Furthermore, conductive derivatives of pentacene and anthracene, in particular 6,13-bis (triisopropylsilylethynyl) pentacene (TIPS-pentacene), are preferred.

Polymere Lochleiter sind bevorzugt. Vorzugsweise ist der photorefraktive Verbundstoff ein photorefraktiver Polymerverbundstoff. Bevorzugte polymere Lochleiter sind aus der Gruppe ausgewählt, die polymere Carbazolderivate, Poly(p-phenylenvinylen)-Derivate, polymere Derivate von N,N'-Bis(3-methylphenyl)-N,N'-diphenylbenzidin und Polythiophene umfasst.Polymeric hole conductors are preferred. Preferably, the photorefractive composite is a photorefractive polymer composite. Preferred polymeric hole conductors are selected from the group comprising polymeric carbazole derivatives, poly (p-phenylenevinylene) derivatives, polymeric derivatives of N, N'-bis (3-methylphenyl) -N, N'-diphenylbenzidine, and polythiophenes.

Bevorzugte polymere Carbazolderivate sind aus der Gruppe ausgewählt, die Poly(N-vinylcarbazol) (PVK), Poly[methyl(3-carbazol-9-ylpropyl)siloxan] (PSX-Cz) und Poly(p-phenylenterephthalat) mit Carbazol-Seitengruppen (PPT-Cz) umfasst. Bevorzugte Poly(p-phenylenvinylen)-Derivate sind aus der Gruppe ausgewählt, die Poly[1,4-phenylen-1,2-di(4-benzyloxyphenyl)vinylen] (DBOP-PPV), Poly[o(p)-phenylenvinylen-alt-2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-p-phenylenvinylen] (MEH-PPV) und Poly[o(p)-phenylenvinylen-alt-2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-p-phenylenvinylen] (p-PMEH-PPV) umfasst. Bevorzugte polymere Derivate von N,N'-Bis(3-methylphenyl)-N,N'-diphenylbenzidin (TPD) sind aus der Gruppe ausgewählt, die Poly(acryltetraphenyldiaminobiphenol) (PATPD) und Poly[2-methyl-1,4-phenylen-phenylimino-4,4'-biphenylen-phenylimino-3-methyl-1,4-phenylen-1,2-vinylen-2,5-dioctyloxy-1,4-phenylen-1,2-vinylen] (TPD-PPV) umfasst. Ein bevorzugtes Polythiophen ist Poly(3-hexylthiophen-2,5-diyl).Preferred polymeric carbazole derivatives are selected from the group consisting of poly (N-vinylcarbazole) (PVK), poly [methyl (3-carbazol-9-yl-propyl) siloxane] (PSX-Cz) and poly (p-phenylene terephthalate) having carbazole pendant groups (PPT-Cz). Preferred poly (p-phenylenevinylene) derivatives are selected from the group consisting of poly [1,4-phenylene-1,2-di (4-benzyloxyphenyl) vinylene] (DBOP-PPV), poly [o (p) -phenylenevinylene -alt-2-methoxy-5- (2-ethylhexyloxy) -p-phenylenevinylene] (MEH-PPV) and poly [o (p) -phenylenevinylene-alt-2-methoxy-5- (2-ethylhexyloxy) -p-] phenylenevinylene] (p-PMEH-PPV). Preferred polymeric derivatives of N, N'-bis (3-methylphenyl) -N, N'-diphenylbenzidine (TPD) are selected from the group consisting of poly (acryltetraphenyldiaminobiphenol) (PATPD) and poly [2-methyl-1,4- phenylenephenylimino-4,4'-biphenylenephenylimino-3-methyl-1,4-phenylene-1,2-vinylene-2,5-dioctyloxy-1,4-phenylene-1,2-vinylene] (TPD PPV). A preferred polythiophene is poly (3-hexylthiophene-2,5-diyl).

Vorteilhafterweise können solche Polymere hochgeordnete kristalline Dünnfilme bereitstellen.Advantageously, such polymers can provide highly ordered crystalline thin films.

In bevorzugten Ausführungsformen ist der Lochleiter ein polymeres Carbazolderivat, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Poly(N-vinylcarbazol), Poly[methyl(3-carbazol-9-ylpropyl)siloxan] und/oder Poly(p-phenylenterephthalat) mit Carbazol-Seitengruppen umfasst. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Lochleiter Poly(9-vinylcarbazol).In preferred embodiments, the hole conductor is a polymeric carbazole derivative selected from the group consisting of poly (N-vinylcarbazole), poly [methyl (3-carbazol-9-yl-propyl) siloxane] and / or poly (p-phenylene terephthalate) with carbazole Includes page groups. In a preferred embodiment, the hole conductor is poly (9-vinylcarbazole).

In bevorzugten Ausführungsformen umfasst der Verbundstoff den Lochleiter in einer Menge im Bereich von ≥ 1 Gew.-% bis ≤ 84 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich ≥ 10 Gew.-% bis ≤ 70 Gew.-% und insbesondere im Bereich von ≥ 59,601 Gew.-% bis ≤ 59,807 Gew.-% bezogen auf eine Gesamtmenge des Verbundstoffs von 100 Gew.-%.In preferred embodiments, the composite comprises the hole conductor in an amount in the range of ≥ 1 wt .-% to ≤ 84 wt .-%, preferably in the range ≥ 10 wt .-% to ≤ 70 wt .-% and in particular in the range of ≥ 59.601 wt% to ≤ 59.807 wt% based on a total amount of the composite of 100 wt%.

Die nichtlinearen optischen Einheiten werden auch als „nichtlineare optische Reste” oder nichtlineare optische Chromophore bezeichnet. Da die Eigenschaften als ein Farbstoff für den photorefraktiven Effekt nicht relevant sind, werden diese Elemente des photorefraktiven Verbundstoffs als nichtlineare optische Einheiten (NLO für engl. nonlinear optical units) bezeichnet.The nonlinear optical units are also referred to as "nonlinear optical residues" or nonlinear optical chromophores. Since the properties are not relevant as a dye for the photorefractive effect, these elements of the photorefractive composite are referred to as nonlinear optical units (NLO).

In bevorzugten Ausführungsformen ist die nichtlineare optische Einheit aus der Gruppe ausgewählt, die Cyanobiphenyle, Dicyanostyrol-Derivate, 1-Alkyl-5-[2-(5-dialkylaminothienyl)methylen]-4-alkyl-[2,6-dioxo-1,2,5,6-tetrahydropyridin]-3-carbonitril, 2-Dicyanomethylen-3-cyano-5,5-dimethyl-4-(4'-dihexylaminophenyl)-2,5-dihydrofuran, 4-N,N-Diethylamino-β-nitrostyrol, 3-Fluor-4-(N,N-diethylamino)-β-nitrostyrol, 2,5-Dimethyl-(4-p-nitrophenylazo)anisol, 3-Methoxy-(4-p-nitrophenylazo)anisol, 2-N,N-Dihexylamino-7-dicyanomethylidenyl-3,4,5,6,10-pentahydronaphthalen und/oder 3-(N,N-Di-n-butylanilin-4-yl)-1-dicyanomethyliden-2-cyclohexen umfasst.In preferred embodiments, the non-linear optical unit is selected from the group consisting of cyanobiphenyls, dicyanostyrene derivatives, 1-alkyl-5- [2- (5-dialkylaminothienyl) methylene] -4-alkyl- [2,6-dioxo-1, 2,5,6-tetrahydropyridine] -3-carbonitrile, 2-dicyanomethylene-3-cyano-5,5-dimethyl-4- (4'-dihexylaminophenyl) -2,5-dihydrofuran, 4-N, N-diethylamino β-nitrostyrene, 3-fluoro-4- (N, N-diethylamino) -β-nitrostyrene, 2,5-dimethyl- (4-p-nitrophenylazo) anisole, 3-methoxy- (4-p-nitrophenylazo) anisole, 2-N, N-Dihexylamino-7-dicyanomethylidenyl-3,4,5,6,10-pentahydronaphthalene and / or 3- (N, N-di-n-butylanilin-4-yl) -1-dicyanomethylidene-2 cyclohexene.

Bevorzugt sind stabformähnliche nichtlineare optische Einheiten. In bevorzugten Ausführungsformen ist die nichtlineare optische Einheit ein Cyanobiphenyl, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die 4'-(n-Octyloxy)-4-cyanobiphenyl (8OCB) und/oder 4'-(n-Pentyl)-4-cyanobiphenyl (5CB) umfasst. Vorzugsweise ist das Cyanobiphenyl 4'-(n-Pentyl)-4-cyanobiphenyl. 4'-(n-Pentyl)-4-cyanobiphenyl wird auch als 4-Pentyl-4'-cyanobiphenyl, 4'-Pentyl-4-biphenylcarbonitril oder 4-Cyano-4-n-pentylbiphenyl bezeichnet.Preference is given to rod-shaped non-linear optical units. In preferred embodiments, the non-linear optical unit is a cyanobiphenyl selected from the group consisting of 4 '- (n-octyloxy) -4-cyanobiphenyl (8OCB) and / or 4' - (n-pentyl) -4-cyanobiphenyl ( 5CB). Preferably, the cyanobiphenyl is 4 '- (n-pentyl) -4-cyanobiphenyl. 4 '- (n-Pentyl) -4-cyanobiphenyl is also referred to as 4-pentyl-4'-cyanobiphenyl, 4'-pentyl-4-biphenylcarbonitrile or 4-cyano-4-n-pentylbiphenyl.

Bevorzugte Dicyanostyrol-Derivate sind aus der Gruppe ausgewählt, die 2-[4-Bis(2-methoxyethyl)aminobenzyliden]-malononitril (AODCST), 4-Piperidinobenzylidenmalononitril (PDCST) und 2-(4-Azepan-1-yl-benzyliden)malononitril (7-DCST) umfasst.Preferred dicyanostyrene derivatives are selected from the group consisting of 2- [4-bis (2-methoxyethyl) aminobenzylidene] -malononitrile (AODCST), 4-piperidinobenzylidenemalononitrile (PDCST) and 2- (4-azepan-1-yl-benzylidene) malononitrile (7-DCST).

Vorteilhafterweise können stabformähnliche nichtlineare optische Einheiten bei Bildung eines Raumladungsfeldes leichter im Polymer umgeordnet werden.Advantageously, rod-shape-like non-linear optical units can be rearranged more easily in the polymer when a space-charge field is formed.

In bevorzugten Ausführungsformen umfasst der Verbundstoff die nichtlineare optische Einheit in einer Menge im Bereich von ≥ 5 Gew.-% bis ≤ 85 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich ≥ 20 Gew.-% bis ≤ 65 Gew.-% und insbesondere im Bereich von ≥ 40,052 Gew.-% bis ≤ 40,187 Gew.-% bezogen auf eine Gesamtmenge des Verbundstoffs von 100 Gew.-%. In preferred embodiments, the composite comprises the nonlinear optical unit in an amount in the range of ≥5 wt% to ≤85 wt%, preferably in the range ≥20 wt% to ≤65 wt%, and especially in the range from ≥ 40.052 wt% to ≤ 40.187 wt% based on a total amount of the composite of 100 wt%.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Verbundstoff Poly(9-vinylcarbazol), 4'-(n-Pentyl)-4-cyanobiphenyl und C12-4Cl-Diperylenbisimid in einem Verhältnis im Bereich von 59,802:40,187:0,010 Gew.-% bis 59,736:40,142:0,122 Gew.-% und vorzugsweise in einem Verhältnis von 59,601:40,052:0,348 Gew.-%.In a preferred embodiment, the composite comprises poly (9-vinylcarbazole), 4 '- (n -pentyl) -4-cyanobiphenyl, and C12-4Cl-diperylenebisimide in a ratio ranging from 59.802: 40.187: 0.010% by weight to 59.736: 40.142: 0.122% by weight, and preferably in a ratio of 59.601: 40.052: 0.348% by weight.

Vorteilhafterweise sind selbst niedrige Konzentrationen von C12-4Cl-Diperylenbisimid (C12-4Cl-DiPBI) außergewöhnlich wirksam, und die Menge Photosensibilisator im Verbundstoff kann daher verringert werden.Advantageously, even low concentrations of C12-4Cl diperylenebisimide (C12-4Cl-DiPBI) are exceptionally effective, and the amount of photosensitizer in the composite can therefore be reduced.

Der Lochleiter ist vorzugsweise ein polymerer Lochleiter. In Bezug auf Polymere mit einem Gewicht im Bereich von 25.000 bis 50.000 g/mol, insbesondere mit einem mittleren Gewicht von 37.500 g/mol, umfasst der Verbundstoff vorzugsweise C12-4Cl-Diperylenbisimid (C12-4Cl DiPBI) in einer Menge im Bereich von ≥ 0,001 mol% bis ≤ 1 mol%, vorzugsweise im Bereich von ≥ 0.002 mol% bis ≤ 0.2 mol% und insbesondere im Bereich von ≥ 4,25 mmol% bis ≤ 136 mmol%; den Lochleiter in einer Menge im Bereich von ≥ 0,5 mol% bis ≤ 1,5 mol%, vorzugsweise im Bereich von ≥ 0,9 mol% bis ≤ 1 mol% und insbesondere im Bereich von ≥ 0,983 mol% bis ≤ 0,984 mol%; und die nichtlineare optische Einheit in einer Menge im Bereich von ≥ 97,5 mol% bis ≤ 99,5 mol%, vorzugsweise im Bereich von ≥ 98,5 mol% bis ≤ 99,2 mol% und insbesondere im Bereich von ≥ 98,881 mol% bis ≤ 99,016 mol% bezogen auf eine Gesamtmenge des Verbundstoffs von 100 mol%. Vorzugsweise ist das Verhältnis von Poly(9-vinylcarbazol), 4'-(n-Pentyl)-4-cyanobiphenyl und C12-4Cl-Diperylenbisimid im photorefraktiven Verbundstoff im Bereich von 0,979:98,974:0,047 mol% bis 0,979:99,017:0,004 mol% und insbesondere in einem Verhältnis von 0,983:98,881:0,136 mol%.The hole conductor is preferably a polymeric hole conductor. With respect to polymers having a weight in the range of from 25,000 to 50,000 g / mol, in particular having an average weight of 37,500 g / mol, the composite preferably comprises C12-4Cl-diperylenebisimide (C12-4Cl DiPBI) in an amount in the range of ≥ 0.001 mol% to ≤ 1 mol%, preferably in the range of ≥ 0.002 mol% to ≤ 0.2 mol% and in particular in the range of ≥ 4.25 mmol% to ≤ 136 mmol%; the hole conductor in an amount in the range of ≥ 0.5 mol% to ≤ 1.5 mol%, preferably in the range of ≥ 0.9 mol% to ≤ 1 mol% and in particular in the range of ≥ 0.983 mol% to ≤ 0.984 mol %; and the non-linear optical unit in an amount in the range of ≥ 97.5 mol% to ≤ 99.5 mol%, preferably in the range of ≥ 98.5 mol% to ≤ 99.2 mol% and in particular in the range of ≥ 98.881 mol % to ≤ 99.016 mol% based on a total amount of the composite of 100 mol%. Preferably, the ratio of poly (9-vinylcarbazole), 4 '- (n -pentyl) -4-cyanobiphenyl and C12-4Cl-diperylenebisimide in the photorefractive composite is in the range of 0.979: 98.974: 0.047 mol% to 0.979: 99.017: 0.004 mol % and especially in a ratio of 0.983: 98.881: 0.136 mol%.

Der photorefraktive Verbundstoff kann ferner Weichmacher und/oder Sensibilisatoren umfassen. Bevorzugte Weichmacher sind aus der Gruppe ausgewählt, die N-Ethylcarbazol, Butylbenzylphthalat, Diphenylphthalat, Diisooctylphthalat und N-(2-Ethylhexyl)-N-(3-methylphenyl)-anilin umfasst. Bevorzugte Sensibilisatoren sind aus der Gruppe ausgewählt, die Fullerene und/oder Derivate von 2,4,7-Trinitro-9-fluorenon umfasst. Bevorzugte Fullerene sind aus der Gruppe ausgewählt, die Fullerene in der Form von (C60-Ih)[5,6]fulleren und C70-D5h(6)-Fulleren oder [6,6]-Phenyl-C61-buttersäuremethylester umfasst. Ein bevorzugtes Derivat von 2,4,7-Trinitro-9-fluorenon ist (2,4,7-Trinitro-9-fluorenyliden)malononitril.The photorefractive composite may further include plasticizers and / or sensitizers. Preferred plasticizers are selected from the group comprising N-ethylcarbazole, butylbenzyl phthalate, diphenyl phthalate, diisooctyl phthalate and N- (2-ethylhexyl) -N- (3-methylphenyl) -aniline. Preferred sensitisers are selected from the group comprising fullerenes and / or derivatives of 2,4,7-trinitro-9-fluorenone. Preferred fullerenes are selected from the group consisting of fullerene, the fullerene in the form of (C60-Ih) [5,6] and C 70 -D 5h (6) comprises fullerene or [6,6] -phenyl-C61-methyl butyrate. A preferred derivative of 2,4,7-trinitro-9-fluorenone is (2,4,7-trinitro-9-fluorenylidene) malononitrile.

Der photorefraktive Verbundstoff kann ferner Tris(8-hydroxychinolinato)aluminium, Polystyrol, Nanoteilchen, Quantenpunkte und/oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen umfassen. Tris(8-hydroxychinolinato)aluminium zum Beispiel kann als Dotierungssubstanz für Bedingungsfallen verwendet werden. Polystyrol kann zum Stabilisieren des Verbundstoffs verwendet werden.The photorefractive composite may further comprise tris (8-hydroxyquinolinato) aluminum, polystyrene, nanoparticles, quantum dots and / or carbon nanotubes. Tris (8-hydroxyquinolinato) aluminum, for example, can be used as a dopant for conditional traps. Polystyrene can be used to stabilize the composite.

Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung von C12-4Cl-Diperylenbisimid als Sensibilisator in einem photorefraktiven Verbundstoff, der einen Lochleiter und eine nichtlineare optische Einheit umfasst.Another aspect of the invention relates to the use of C12-4Cl diperylene bisimide as a sensitizer in a photorefractive composite comprising a hole conductor and a non-linear optical unit.

Vorteilhafterweise wurde festgestellt, dass C12-4Cl-Diperylenbisimid (C12-4Cl-DiPBI) als Breitband-Photosensibilisator mit hervorragenden optischen und physikalischen Eigenschaften verwendet werden kann. Insbesondere das breite Absorptionsspektrum von C12-4Cl-Diperylenbisimid (C12-4Cl-DiPBI) kann eine Grundvoraussetzung für ausgezeichnete Bearbeitbarkeit von photorefraktiven Materialien im gesamten Bereich des sichtbaren Lichts bereitstellen.Advantageously, it has been found that C12-4Cl-diperylenebisimide (C12-4Cl-DiPBI) can be used as a broad-spectrum photosensitizer with excellent optical and physical properties. In particular, the broad absorption spectrum of C12-4Cl diperylene bisimide (C12-4Cl-DiPBI) can provide a prerequisite for excellent processability of photorefractive materials over the full range of visible light.

Der photorefraktive Verbundstoff kann für Anwendungen, wie beispielsweise holographische Datenspeicherung mit hoher Dichte, holographische Abbildung von lebendem Gewebe und 3D-Echtzeit-Bildanzeigen verwendet werden. Der photorefraktive Verbundstoff ist insbesondere als ein Hochleistungsmaterial mit Brechungsindexmodulationsansatz in der Datenspeicherung, der medizinischen Diagnostik und für die Unterhaltungsindustrie vorteilhaft. Ferner kann der photorefraktive Verbundstoff zur Realisierung von nanophotonischen Bauelementen zur optischen Informationsverarbeitung verwendet werden.The photorefractive composite can be used for applications such as high density holographic data storage, holographic imaging of living tissue, and 3D real-time image displays. The photorefractive composite is particularly advantageous as a refractive index modulation high performance material in data storage, medical diagnostics and the entertainment industry. Furthermore, the photorefractive composite can be used to realize nanophotonic optical information processing devices.

Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung eines photorefraktiven Verbundstoffs gemäß der Erfindung in Holographietechniken, insbesondere in holographischen Datenspeichergeräten und holographischen Anzeigen.Another aspect of the invention relates to the use of a photorefractive composite according to the invention in holography techniques, particularly in holographic data storage devices and holographic displays.

Der photorefraktive Verbundstoff kann auf dem Gebiet der Holographie, insbesondere der holographischen Datenspeicherung und der medizinischen Diagnostik, verwendet werden. Der photorefraktive Verbundstoff kann sogar für realistische holographische Projektion von Personen und leblosen Objekten in der virtuellen Realität verwendet werden. Insbesondere kann der photorefraktive Verbundstoff für holographische Anzeigen, zum Beispiel zur holographischen Abbildung von lebendem Gewebe, verwendet werden. Schnelle Schreib- und Löschzeiten des photorefraktiven Verbundstoffs ermöglichen eine Verwendung in 3D-Farbanzeigen.The photorefractive composite can be used in the field of holography, particularly holographic data storage and medical diagnostics. The photorefractive composite can even be used for realistic holographic projection of people and lifeless objects in virtual reality. In particular, the photorefractive composite can be used for holographic displays, for example for holographic imaging of living tissue. Fast write and erase times of the photorefractive composite enable use in 3D color displays.

Ferner kann der photorefraktive Verbundstoff in dynamischen holographischen Gittern, zum Beispiel Solarkollimatoren, verwendet werden. Darüber hinaus kann der photorefraktive Verbundstoff in solchen Implementierungen wie aktualisierbaren 3D-Anzeigen oder Datenspeichergeräten verwendet werden. Ferner kann der photorefraktive Verbundstoff zum Beispiel als ein Schalter oder Strahlteiler in optischen Computer verwendet werden.Furthermore, the photorefractive composite can be used in dynamic holographic gratings, for example solar collimators. In addition, the photorefractive composite can be used in such implementations as updateable 3D displays or data storage devices. Further, the photorefractive composite may be used, for example, as a switch or beam splitter in an optical computer.

Ferner kann der photorefraktive Verbundstoff in der Optik und Laseroptik verwendet werden. Insbesondere kann der photorefraktive Verbundstoff als ein optischer Schalter, ein Strahlteiler oder ein Intensitätsregler verwendet werden. Der photorefraktive Verbundstoff kann auch als eine Wellenplatte verwendet werden.Further, the photorefractive composite can be used in optics and laser optics. In particular, the photorefractive composite may be used as an optical switch, a beam splitter, or an intensity controller. The photorefractive composite can also be used as a wave plate.

Ferner kann der photorefraktive Verbundstoff in photovoltaischen Zellen, organischen Feldeffekttransistoren (OFETs) und organischen Leuchtdioden (OLEDs) verwendet werden. Der photorefraktive Verbundstoff kann insbesondere in der Glasfaserkommunikation verwendet werden. Ferner kann der photorefraktive Verbundstoff anstelle von anorganischen Kristallen in Mikroskopie- und Messtechniken verwendet werden.Further, the photorefractive composite can be used in photovoltaic cells, organic field effect transistors (OFETs), and organic light emitting diodes (OLEDs). The photorefractive composite can be used especially in fiber optic communication. Further, the photorefractive composite can be used in place of inorganic crystals in microscopy and measurement techniques.

Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein holographisches Datenspeichergerät oder eine holographische Anzeige, das/die einen photorefraktiven Verbundstoff gemäß der Erfindung umfasst.Another aspect of the present invention relates to a holographic data storage device or holographic display comprising a photorefractive composite according to the invention.

Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen optischen Schalter, insbesondere einen Strahlteiler oder einen Intensitätsregler, der einen photorefraktiven Verbundstoff gemäß der Erfindung umfasst.Another aspect of the present invention relates to an optical switch, in particular a beam splitter or intensity regulator comprising a photorefractive composite according to the invention.

Ferner betrifft ein anderer Aspekt der Erfindung einen organischen Halbleiter, insbesondere eine photovoltaische Zelle, einen organischen Feldeffekttransistor oder eine organische Leuchtdiode, der/die einen photorefraktiven Verbundstoff gemäß der Erfindung umfasst.Furthermore, another aspect of the invention relates to an organic semiconductor, in particular a photovoltaic cell, an organic field-effect transistor or an organic light-emitting diode, which comprises a photorefractive composite according to the invention.

Sofern nicht anders definiert, haben die technischen und wissenschaftlichen Begriffe, die hierin verwendet werden, die gleiche Bedeutung, wie sie gemeinhin von einem Durchschnittsfachmann des Fachgebiets verstanden wird, zu dem diese Erfindung gehört.Unless defined otherwise, the technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs.

Die folgenden Beispiele dienen zur genaueren Veranschaulichung der Erfindung und stellen keine Beschränkung davon dar. Es versteht sich von selbst, dass es, obwohl mindestens eine beispielhafte Ausführungsform dargestellt wird, eine große Anzahl von Varianten gibt.The following examples are intended to illustrate and not limit the scope of the invention. It will be understood that although there is at least one exemplary embodiment, there are a large number of variations.

In den Figuren zeigtIn the figures shows

1 Absorptionsspektren eines photorefraktiven Verbundstoffs ohne Sensibilisator und von photorefraktiven Verbundstoffen, die eine Molekülmenge von 136 mmol% der Sensibilsatoren PCBM oder C12-4Cl-DiPBI umfassen. 1 Absorption spectra of a photorefractive composite without sensitizer and photorefractive composites comprising a molecular weight of 136 mmol% of the sensitizers PCBM or C12-4Cl-DiPBI.

2 die Photoleitfähigkeit Iph der photorefraktiven Verbundstoffe mit einer Molekülmenge von 136 mmol% der Sensibilisatoren PCBM oder C12-4Cl-DiPBI als eine Funktion des elektrischen Feldes. 2 the photoconductivity I ph of the photorefractive composites with a molecular weight of 136 mmol% of the sensitizers PCBM or C12-4Cl-DiPBI as a function of the electric field.

3 die Doppelbrechung der photorefraktiven Verbundstoffe mit einer Molekülmenge von 136 mmol% des Sensibilisators PCBM oder 34 mmol% oder 136 mmol% des Sensibilisators C12-4Cl-DiPBI als eine Funktion des elektrischen Feldes. 3 the birefringence of the photorefractive composites with a molecular weight of 136 mmol% of the sensitizer PCBM or 34 mmol% or 136 mmol% of the sensitiser C12-4Cl-DiPBI as a function of the electric field.

4 den Verstärkungskoeffizienten Γ der photorefraktiven Verbundstoffe mit einer Molekülmenge von 136 mmol% des Sensibilisators PCBM oder 34 mmol% oder 136 mmol% des Sensibilisators C12-4Cl-DiPBI als eine Funktion des elektrischen Feldes. 4 the coefficient of enhancement Γ of the photorefractive composites with a molecular weight of 136 mmol% of the sensitizer PCBM or 34 mmol% or 136 mmol% of the sensitiser C12-4Cl-DiPBI as a function of the electric field.

5 die Kinetik der Energieübertragung zwischen zwei Laserstrahlen bei 70 V/μm unter Verwendung von photorefraktiven Verbundstoffen mit einer Molekülmenge von 136 mmol% des Sensibilisators PCBM oder 34 mmol% oder 136 mmol% des Sensibilisators C12-4Cl-DiPBI. 5 the kinetics of energy transfer between two laser beams at 70 V / μm using photorefractive composites with a molecular weight of 136 mmol% of the sensitizer PCBM or 34 mmol% or 136 mmol% of the sensitiser C12-4Cl-DiPBI.

6 die Schreibgeschwindigkeit, dargestellt als reziproke Zeitkonstante, als eine Funktion der Konzentration von C12-4Cl-DiPBI in den photorefraktiven Verbundstoffen. 6 the writing speed, represented as the reciprocal time constant, as a function of the concentration of C12-4Cl-DiPBI in the photorefractive composites.

Beispiel 1example 1

Herstellung von Indium-Zinnoxid-Elektroden, die einen photorefraktiven Verbundstoff umfassenPreparation of indium tin oxide electrodes comprising a photorefractive composite

1.1. Strukturierung der Indium-Zinnoxid-Elektrode1.1. Structuring of the indium tin oxide electrode

Da der photorefraktive Verbundstoff ein amorpher Feststoff ist, muss eine hohe Spannung an die Probe angelegt werden, um eine Symmetrieachse zu induzieren. Ein Floatglas (Präzision Glas und Optik GmbH) mit einseitiger Indium-Zinnoxid(ITO)-Beschichtung wurde als transparente Elektroden verwendet. Dieser Elektrodentyp wird für Messungen der Photoleitfähigkeit verwendet. Die Größe des Glases betrug 30 mm × 30 mm × 0,7 mm, und die 100 nm dicke ITO-Schicht bedeckte eine 26-nm-SiO2-Passivierungsschicht. Die Elektrode wurde durch Ätzen mit HCl strukturiert. Die Elektrode wurde so strukturiert, dass sie eine gut definierte Kreisfläche von 38,5 mm2 und einen Durchmesser von 7 mm bereitstellte, der so strukturiert wurde, dass er mit dem Durchmesser des Leistungssensors übereinstimmte. Die Elektrode konnte mit einem aufgeweiteten Strahl homogen beleuchtet werden.Since the photorefractive composite is an amorphous solid, a high voltage must be applied to the sample to induce an axis of symmetry. A float glass (precision Glas und Optik GmbH) with single-sided indium tin oxide (ITO) coating was used as transparent electrodes. This electrode type is used for photoconductivity measurements. The size of the glass was 30 mm × 30 mm × 0.7 mm, and the 100 nm thick ITO layer covered a 26 nm SiO 2 passivation layer. The electrode was washed by etching HCl structured. The electrode was patterned to provide a well-defined circular area of 38.5 mm 2 and a diameter of 7 mm, which was patterned to match the diameter of the power sensor. The electrode could be illuminated homogeneously with an expanded beam.

1.2. Herstellung des Verbundstoffs1.2. Production of the composite

C12-4Cl-Diperylenbisimid wurde gemäß den Reaktionsbedingungen nach H. Qian, Z. Wang, W. Yue, D. Zhu, J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 10664, synthetisiert. Das polymere Poly-9-vinylcarbazol (PVK), der Flüssigkristall 4'-(n-Pentyl)-4-cyanobiphenyl (5CB) und der Sensibilisator [6,6]-Phenyl-C61-buttersäuremethylester (PCBM), der zum Vergleich verwendet wurde, wurden von Sigma Aldrich erworben. Das polymere Poly-9-vinylcarbazol (PVK) hatte ein Gewicht im Bereich von 25.000 bis 50.000 g/mol. Zur Berechnung der Konzentrationen in mol% wurde ein mittleres Gewicht von 37.500 g/mol verwendet.C12-4Cl diperylene bisimide was prepared according to the reaction conditions of H. Qian, Z. Wang, W. Yue, D. Zhu, J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 10664, synthesized. The polymeric poly-9-vinylcarbazole (PVK), the liquid crystal 4 '- (n-pentyl) -4-cyanobiphenyl (5CB) and the sensitizer [6,6] -phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) used for comparison was acquired by Sigma Aldrich. The polymeric poly-9-vinylcarbazole (PVK) had a weight in the range of 25,000 to 50,000 g / mol. To calculate the concentrations in mol%, an average weight of 37,500 g / mol was used.

30 mg Poly-9-vinylcarbazol (PVK), 20 μl 4'-(n-Pentyl)-4-cyanobiphenyl (5CB) und die gewünschte Menge Sensibilisator wurden in 200 μl Chloroform unter Ultraschall in einer Flasche in eine visköse Substanz gelöst.30 mg of poly-9-vinylcarbazole (PVK), 20 μl of 4 '- (n-pentyl) -4-cyanobiphenyl (5CB) and the desired amount of sensitizer were dissolved in 200 μl of chloroform under ultrasound in a bottle in a viscous substance.

Die Konzentration des Sensibilisators, um 136 mmol% [6,6]-Phenyl-C61-buttersäuremethylester (PCBM) zu ergeben, wurde in Form von 10 μl einer 10-mg/ml-Lösung in Chloroform zugegeben. Die Konzentration des Sensibilisators, um 136, 102, 68, 54,4, 40,8, 34, 17, 8,5 und 4,25 mmol% C12-4Cl-DiPBI zu ergeben, wurde in Form von 100 μl, 75 μl, 50 μl, 40 μl, 30 μl, 25 μl, 12,5 μl, 6,25 μl und 3,125 μl einer 1,75-mg/ml-Lösung von C12-4Cl-DiPBI in Chloroform zugegeben.The concentration of the sensitizer to give 136 mmol% [6,6] -phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) was added in the form of 10 μl of a 10 mg / ml solution in chloroform. The concentration of sensitizer to give 136, 102, 68, 54.4, 40.8, 34, 17, 8.5 and 4.25 mmol% C12-4Cl-DiPBI was in the form of 100 μl, 75 μl , 50 μl, 40 μl, 30 μl, 25 μl, 12.5 μl, 6.25 μl and 3.125 μl of a 1.75 mg / ml solution of C12-4Cl-DiPBI in chloroform.

1.3. Schmelzpressen1.3. melt pressing

Schmelzpressen ist ein üblicher Vorgang zur Herstellung von photorefraktiven Proben. Die hergestelltem Verbundstoffe, die C12-4Cl-DiPBI oder PCBM umfassten, wurden blasenfrei auf eine ITO-Elektrode pipettiert und für 20 Minuten bei Umgebungsluft getrocknet. Da der Siedepunkt von Chloroform 62°C beträgt, verdampft es selbst bei Raumtemperatur sehr schnell. Danach wurde der beinahe getrocknete Verbundstoff für eine Stunde bei 55°C im Ofen ausgeglüht, um den Rest des Lösungsmittels zu entfernen. Diese Schritte wurden viermal wiederholt, bis die gewünschte Dicke erreicht war. Dann wurde der Verbundstoff bei 90°C geschmolzen und mit der zweiten Glasplatte abgedeckt, um durch ihr Gewicht auf die Dicke der Abstandsschicht gepresst zu werden. Die Abstandsschicht war eine transparente Folie mit einer definierten Dicke von 50 μm, und das Pressen dauerte eine Stunde. Schließlich wurde die Probe langsam auf Raumtemperatur abgekühlt.Melt pressing is a common process for producing photorefractive samples. The prepared composites comprising C12-4Cl-DiPBI or PCBM were pipetted bubble-free onto an ITO electrode and dried in ambient air for 20 minutes. Since the boiling point of chloroform is 62 ° C, it vaporizes very rapidly even at room temperature. Thereafter, the nearly dried composite was annealed for one hour at 55 ° C in the oven to remove the remainder of the solvent. These steps were repeated four times until the desired thickness was achieved. Then, the composite was melted at 90 ° C and covered with the second glass plate to be pressed by its weight to the thickness of the spacer layer. The spacer layer was a transparent film with a defined thickness of 50 microns, and the pressing took one hour. Finally, the sample was slowly cooled to room temperature.

Beispiel 2Example 2

Messung der AbsorptionsspektrenMeasurement of absorption spectra

Zur Messung der Absorptionsspektren wurden Indium-Zinnoxid-Elektroden mit photorefraktiven Verbundstoffen verwendet, die eine Molekülmenge von 136 mmol% von C12-4Cl-Diperylenbisimid oder den Vergleichssensibilisatoren [6,6]-Phenyl-C61-buttersäuremethylester (PCBM) aufwiesen oder gemäß Beispiel 1 hergestellt waren.Indium-tin oxide electrodes with photorefractive composites containing 136 mmol% of C12-4Cl diperylene bisimide or the comparative sensitizers [6,6] -phenyl C61-butyric acid methyl ester (PCBM) or according to Example 1 were used to measure the absorption spectra were made.

Der photorefraktive Verbundstoff mit C12-4Cl-Diperylenbisimid umfasste Poly(9-vinylcarbazol) (PVK), 4-Cyano-4-n-pentylbiphenyl (5CB) und C12-4Cl-DiPBI in einem Verhältnis von 0,983:98,881:0,136 mol%. Der photorefraktive Vergleichsverbundstoff umfasste Poly(9-vinylcarbazol) (PVK), 4-Cyano-4-n-pentylbiphenyl (5CB) und PCBM in einem Verhältnis von 0,983:98,881:0,136 mol%.The photorefractive composite with C12-4Cl diperylene bisimide comprised poly (9-vinylcarbazole) (PVK), 4-cyano-4-n-pentylbiphenyl (5CB), and C12-4Cl-DiPBI in a ratio of 0.983: 98.881: 0.136 mol%. The comparative photorefractive composite comprised poly (9-vinylcarbazole) (PVK), 4-cyano-4-n-pentylbiphenyl (5CB) and PCBM in a ratio of 0.983: 98.881: 0.136 mol%.

Die Absorptionsspektren der photorefraktiven Verbundstoffe wurden durch das Spektrometer JascoV-530 UV/VIS gemessen. Unter Verwendung der Beziehung A = d × α und in der Annahme, dass das Glas der Proben nicht absorbierend war, wurde der Absorptionskoeffizient von 9 cm–1 für die PCBM-Probe aus zwei Proben berechnet, die eine Dicke von d = 50 μm und d = 100 μm hatten. Die Ergebnisse der Verbundstoffpräparate mit C12-4Cl-DiPBI, die in 1 dargestellt sind, wurden durch Messen der Intensität des durchfallenden Lichts hinter der Probe mit einer Photodiode und In-Beziehung-setzen dieser Werte mit der PCBM enthaltenden Probe erhalten.The absorption spectra of the photorefractive composites were measured by the JascoV-530 UV / VIS spectrometer. Using the relationship A = d × α and assuming that the glass of the samples was non-absorbent, the absorption coefficient of 9 cm -1 for the PCBM sample was calculated from two samples having a thickness of d = 50 μm and d = 100 μm. The results of the composite preparations with C12-4Cl-DiPBI, which in 1 were obtained by measuring the intensity of the transmitted light behind the sample with a photodiode and correlating these values with the sample containing PCBM.

Wie in 1 zu erkennen ist, erfasste die Absorption des photorefraktiven Verbundstoffs mit C12-3Cl-DiPBI den gesamten Bereich des sichtbaren Lichts, wobei Maxima in der Blau-, Grün- und Rotregion zu beobachten waren. Dies zeigt, dass C12-4Cl-DiPBI als Sensibilisator gegenüber dem kaum absorbierenden PCBM-Verbundstoff besonders vorteilhaft ist.As in 1 As can be seen, the absorption of the photorefractive composite with C12-3Cl-DiPBI covered the full range of visible light, with peaks in the blue, green and red regions observed. This shows that C12-4Cl-DiPBI is particularly advantageous as a sensitizer to the hardly absorbent PCBM composite.

Der photorefraktive Verbundstoff mit C12-4Cl-DiPBI wies eine Dielektrizitätskonstante von 2,9 und eine Glasübergangstemperatur im Bereich von Raumtemperatur auf. Der photorefraktive Verbundstoff blieb für mindestens sechs Monate kristallisationsfrei und war in der Lage, elektrische Felder von 80 V/μm auszuhalten.The photorefractive composite with C12-4Cl-DiPBI had a dielectric constant of 2.9 and a glass transition temperature in the range of room temperature. The photorefractive composite remained crystallization-free for at least six months and was able to withstand electric fields of 80 V / μm.

Beispiel 3 Example 3

Messung der PhotoleitfähigkeitMeasurement of photoconductivity

Zur Messung der Fotoleitfähigkeit wurden Indium-Zinnoxid-Elektroden mit photorefraktiven Verbundstoffen verwendet, die eine Molekülmenge von 136 mmol% des Sensibilisators [6,6]-Phenyl-C61-buttersäuremethylester (PCBM) oder des gemäß Beispiel 1 hergestellten Sensibilisators C12-4Cl-Diperylenbisimid aufwiesen.For measuring the photoconductivity indium-tin oxide electrodes were used with photorefractive composites containing a molecular weight of 136 mmol% of sensitiser [6,6] -phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) or prepared according to Example 1 sensitizer C12-4Cl-diperylenebisimide exhibited.

Zur Messung der Photoleitfähigkeit wurde die definierte Elektrodenfläche von 38,5 mm2 der Indium-Zinnoxid-Elektroden mit einem aufgeweiteten Gaußschen Strahl beleuchtet. Die Anordnung für die Leitfähigkeitsmessung war Folgende: die Intensität eines frequenzverdoppelten Nd:YAG(Neodymium-dotiertes Yttrium-Aluminiumgranat; Nd:Y3Al5O12)-CW-Laserstrahls (Compass 315 m 100, Coherent) einer Wellenlänge von 532 nm wurde unter Verwendung einer Halbwellenplatte und eines Polarisationsstrahlteilers geändert. Das Licht, das durch die geöffnete Blende durchtrat, wurde durch eine konkave Linse aufgeweitet, welche die homogene Beleuchtung der der Probe bereitstellte. Die für die Messung verwendete Intensität betrug 16 mW/cm2. Hochspannung wurde durch eine Hochspannungsquelle (Heinzinger LNC 10000-5 neg) an die Probe angelegt und über eine NI Box (USB-6009) gesteuert. Ein Pikoamperemeter (Keithley 6485 Picoammeter) wurde in den elektrischen Stromkreis eingebaut, der die Indium-Zinnoxid-Elektroden mit dem photorefraktiven Verbundstoff und die Hochspannungsquelle zum Messen des Dunkelstroms und des Photostroms umfasste. Der Photostrom Iph ergibt sich aus der Subtraktion des Dunkelstroms Id vom Gesamtstrom Itot.To measure the photoconductivity, the defined electrode area of 38.5 mm 2 of the indium-tin oxide electrodes was illuminated with an expanded Gaussian beam. The conductivity measurement arrangement was as follows: the intensity of a frequency doubled Nd: YAG (neodymium-doped yttrium aluminum garnet; Nd: Y 3 Al 5 O 12 ) CW laser beam (Compass 315 m 100, Coherent) of 532 nm wavelength changed using a half-wave plate and a polarization beam splitter. The light passing through the open aperture was expanded by a concave lens which provided the homogeneous illumination of the sample. The intensity used for the measurement was 16 mW / cm 2 . High voltage was applied to the sample by a high voltage source (Heinzinger LNC 10000-5 neg) and controlled via an NI box (USB-6009). A picoammeter (Keithley 6485 Picoammeter) was incorporated into the electrical circuit which included the indium-tin oxide electrodes with the photorefractive composite and the high voltage source for measuring dark current and photocurrent. The photocurrent I ph results from the subtraction of the dark current I d from the total current I tot .

Der Messvorgang war, wie folgt: um genügend Zeit für elektrische Relaxationsprozesse im Stromkreis zu lassen, wurde ein stufenweises Anlegen des elektrischen Feldes von 40 V/μm an die Probe innerhalb von 2 Minuten angewendet. Die Messung wurde zu einem Zeitpunkt gestartet, der als t = 0 s definiert war. Die Blende wurde bei t = 10 s geöffnet und bei t = 120 s geschlossen. Die Messung wurde bei t = 150 s gestoppt. Diese Schritte wurden bei Erhöhen des elektrischen Feldes von 40 V/μm in Stufen von 2 V/μm auf 70 V/μm wiederholt. Nach dem Anlegen jeder nächsten Spannung wurde eine Pause von 30 Sekunden für den Dunkelstrom eingehalten, um einen konstanten Wert zu erreichen. Die Zeitauflösung betrug 60 ms. Die Stromauflösung des Pikoamperemeters betrug 10 fA.The measurement procedure was as follows: to allow sufficient time for electrical relaxation processes in the circuit, a stepwise application of the electric field of 40 V / μm to the sample was applied within 2 minutes. The measurement was started at a time defined as t = 0 s. The aperture was opened at t = 10 s and closed at t = 120 s. The measurement was stopped at t = 150 s. These steps were repeated with increasing the electric field of 40 V / μm in steps of 2 V / μm to 70 V / μm. After applying each next voltage, a 30 second dark current pause was taken to reach a constant value. The time resolution was 60 ms. The current resolution of the picoammeter was 10 fA.

Die Photoleitfähigkeit Iph der photorefraktiven Verbundstoffe mit einer Molekülmenge von 136 mmol% der Sensibilisatoren PCBM oder C12-4Cl-DiPBI als eine Funktion des elektrischen Feldes ist in 2 dargestellt. Wie der 2 zu entnehmen ist, wies der Verbundstoff mit C12-4Cl-DiPBI eine Absorption bei 532 nm über der des Verbundstoffs mit PCBM auf und erzeugte daher einen höheren Photostrom. Dies bedeutet, dass an den Verbundstoff mit C12-4Cl-DiPBI weniger Spannung angelegt werden muss, um einen vergleichbaren Photostrom zu ergeben. Wenn zum Beispiel 50 V bei einer Dicke von 50 μm angelegt werden, die 1 V/μm entsprechen, liefert der Verbundstoff mit C12-4Cl-DiPBI einen Photostrom von 4,2 nA, während der Verbundstoff mit PCBM einen Photostrom von 0,1 nA liefert.The photoconductivity I ph of the photorefractive composites with a molecular weight of 136 mmol% of the sensitizers PCBM or C12-4Cl-DiPBI as a function of the electric field is in 2 shown. Again 2 It can be seen that the composite with C12-4Cl-DiPBI had an absorption at 532 nm above that of the composite with PCBM and therefore produced a higher photocurrent. This means that less voltage must be applied to the composite with C12-4Cl-DiPBI to give a comparable photocurrent. For example, if 50V is applied at a thickness of 50μm corresponding to 1V / μm, the composite with C12-4Cl-DiPBI will provide a photocurrent of 4.2nA while the composite with PCBM will provide a photocurrent of 0.1nA supplies.

Beispiel 4Example 4

Transmissionsellipsometrietransmission ellipsometry

Zur Untersuchung des Beitrags der Orientierung des Flüssigkristalls zu den photorefraktiven Eigenschaften wurde eine Ellipsometriemessung durchgeführt.To study the contribution of the orientation of the liquid crystal to the photorefractive properties, an ellipsometry measurement was performed.

Es wurden Indium-Zinnoxid-Elektroden mit photorefraktiven Verbundstoffen verwendet, die eine Molekülmenge von 136 mmol% von [6,6]-Phenyl-C61-buttersäuremethylester (PCBM) oder 34 mmol% oder 136 mmol% von dem gemäß Beispiel 1 hergestellten C12-4Cl-Diperylenbisimid aufwiesen.Indium-tin oxide electrodes with photorefractive composites containing a molar amount of 136 mmol% of [6,6] -phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) or 34 mmol% or 136 mmol% of the C12 reagent prepared according to Example 1 were used. 4Cl-Diperylenbisimid had.

Bei der Messung der Transmissionsellipsometrie wurden die Elektroden zwischen zwei +45°- und –45°-Polarisatoren angeordnet und um 45° gedreht. Während Millisekunden wurde ein hohe elektrische Feldstärke zwischen 40 V/μm und 70 V/μm angelegt, die einer Spannung zwischen 2 kV und 3,5 kV bei einer Probendicke von 50 μm entsprach, und die Flüssigkristalle wurden parallel zum elektrischen Feld orientiert und stellten eine für den Verbundstoff charakteristische Doppelbrechung bereit. Der 45°-polarisierte Laserstrahl wurde um den Verbundstoff gedreht und durch eine Photodiode detektiert.In the measurement of the transmission ellipsometry, the electrodes were placed between two + 45 ° and -45 ° polarizers and rotated 45 °. During milliseconds, a high electric field strength between 40 V / μm and 70 V / μm was applied, which corresponded to a voltage between 2 kV and 3.5 kV for a sample thickness of 50 μm, and the liquid crystals were oriented parallel to the electric field and set one birefringence characteristic of the composite. The 45 ° polarized laser beam was rotated around the composite and detected by a photodiode.

Die Anordnung und die physikalischen Prozesse der Messung der Transmissionsellipsometrie waren Folgende: Eine Halbwellenplatte und ein +45°-Polarisator erzeugten einen Laserstrahl mit der Richtung des elektrischen Feldvektors bestehend aus einer Komponente parallel (p) zur und senkrecht (s) auf die Ebene des Lichteinfalls. Das Licht trat in die Probenelektrode ein, die in Bezug auf den eingehenden Strahl um 45° gedreht wurde. Da angenommen wurde, dass der Brechungsindex der Probe 1,7 betrug, betrug der Winkel innerhalb des Verbundstoffs berechnet unter Verwendung des Snell-Gesetzes 25°. Die Spannung, die durch eine Hochspanungsquelle (TREK 609E-6) an die Probe angelegt wurde, wurde durch einen Arbiträrwellenformgenerator (hp 33120A) gesteuert und brach die Zentralsymmetrie. Eine Photodiode nach einem –45°-Polarisator detektierte die Intensität des Lichts, das durch den –45°-Polarisator durchtrat. Das Signal wurde durch einen Signalverstärker (FEMTO DHPCA-100) verstärkt, der den Photostrom der Diode in Spannung umwandelte, die mit einer NI Box (USB-6009) gemessen wurde. Die Intensität I war demnach proportional zu erhaltenen Spannung U.The arrangement and physical processes of measuring the transmission ellipsometry were as follows: A half wave plate and a + 45 ° polarizer produced a laser beam with the direction of the electric field vector consisting of a component parallel (p) to and perpendicular (s) to the plane of light incidence , The light entered the sample electrode, which was rotated 45 ° with respect to the incoming beam. Since it was assumed that the refractive index of the sample was 1.7, the angle within the composite calculated using Snell's law was 25 °. The voltage applied to the sample by a high voltage source (TREK 609E-6) was controlled by an arbitrary waveform generator (hp 33120A) and broke the central symmetry. A photodiode after a -45 ° polarizer detected the intensity of the light passing through the -45 ° polarizer. The signal was through a Signal amplifier (FEMTO DHPCA-100) amplified, which converted the photocurrent of the diode into voltage, which was measured with an NI box (USB-6009). The intensity I was therefore proportional to the voltage U.

Die Ellipsometriemessung erfolgte bei einer Wellenlänge von 532 nm, und die Laserstrahlleistung wurde bei 100 μW gehalten. Die Messvorgang war, wie folgt: I0 wurde mit dem parallel zum ersten +45°-Polarisator eingestellten –45°-Polarisator und ohne jegliches an die Probe angelegtes elektrische Feld gemessen. Der zweite Polarisator wurde senkrecht auf den ersten eingestellt, und die Messung wurde zu einem Zeitpunkt gestartet, der als t = 0 s definiert war. Ein elektrisches Feld E = 40 V/μm wurde bei t = 10 s innerhalb einiger Millisekunden an die Probe angelegt. Das elektrische Feld wurde bei t = 40 s innerhalb einiger Millisekunden abgeschaltet, und die Messung wurde bei t = 60 s gestoppt. Diese Schritte wurden bei Erhöhen des elektrischen Feldes von 40 V/μm in Stufen von 2 V/μm auf 70 V/μm wiederholt. Die Zeit- und die Spannungsauflösung betrugen 1 ms bzw. 0,5 mV. Der stationäre Wert wurde zum Berechnen der elektrooptischen Antwort verwendet.The ellipsometry measurement was made at a wavelength of 532 nm and the laser beam power was kept at 100 μW. The measurement procedure was as follows: I 0 was measured with the -45 ° polariser set parallel to the first + 45 ° polarizer and without any electric field applied to the sample. The second polarizer was set perpendicular to the first, and the measurement was started at a time defined as t = 0 s. An electric field E = 40 V / μm was applied to the sample at t = 10 s within a few milliseconds. The electric field was switched off at t = 40 s within a few milliseconds, and the measurement was stopped at t = 60 s. These steps were repeated with increasing the electric field of 40 V / μm in steps of 2 V / μm to 70 V / μm. The time and voltage resolution were 1 ms and 0.5 mV, respectively. The steady state value was used to calculate the electro-optical response.

Die Doppelbrechung der photorefraktiven Verbundstoffe mit einer Molekülmenge von 136 mmol% PCBM oder 34 mmol% oder 136 mmol% C12-4Cl-DiPBI ist in 3 als eine Funktion des elektrischen Feldes dargestellt. Wie in 3 zu erkennen ist, wies der Verbundstoff mit nur 34 mmol% C12-4Cl-DiPBI noch immer eine zweimal so hohe Absorption wie der Verbundstoff mit 136 mmol% PCBM auf.The birefringence of photorefractive composites with a molecular weight of 136 mmol% PCBM or 34 mmol% or 136 mmol% C12-4Cl-DiPBI is in 3 as a function of the electric field. As in 3 As can be seen, the composite with only 34 mmol% C12-4Cl-DiPBI still had twice as high absorption as the composite with 136 mmol% PCBM.

Beispiel 5Example 5

Messung der photorefraktiven Leistung durch ZweistrahlkopplungMeasurement of photorefractive power by two-beam coupling

Zum Untersuchen der Stationaritätseigenschaften und der Kinetik von photorefraktiven Materialien wurde Zweistrahlkopplung verwendet. Der als Zweistrahlkopplung bezeichnete Prozess ist die Wechselwirkung von zwei kohärenten Laserstrahlen mit dem gleichzeitig induzierten Indexgitter. Der Energieaustausch zwischen den Strahlen hängt nicht nur von der Amplitude des Raumladungsfeldes ab, sondern wird durch den Wert der Phasenverschiebung zwischen der Indexmodulation und dem Interferenzmuster stark beeinflusst. Wenn daher diese Phasenverschiebung 0 ist, was z. B. für dicke Absorptionsgitter der Fall ist, erfolgt keine Energieübertragung. So kann eine Verwechslung anderer physikalischer Mechanismen mit dem photorefraktiven Effekt vermieden werden. Der Energieaustausch wird durch den Verstärkungskoeffizienten Γ charakterisiert, der in Einheiten von cm–1 angegeben ist.Two-beam coupling was used to study the stationarity properties and kinetics of photorefractive materials. The two-beam coupling process is the interaction of two coherent laser beams with the simultaneously induced index grating. The energy exchange between the beams does not only depend on the amplitude of the space charge field, but is strongly influenced by the value of the phase shift between the index modulation and the interference pattern. Therefore, if this phase shift is 0, which z. B. is the case for thick absorption grid, there is no energy transfer. Thus, a confusion of other physical mechanisms with the photorefractive effect can be avoided. The energy exchange is characterized by the gain coefficient Γ, which is given in units of cm -1 .

Die Anordnung der Zweistrahlkopplung war Folgende: Ein Laserstrahl wurde durch einen Polarisationsstrahlteiler in zwei Strahlen geteilt, deren Intensität durch eine erste, vor dem Polarisationsstrahlteiler angeordnete Halbwellenplatte geändert werden konnte. Die Wellenlänge des Lasers betrug 532 nm, und die Intensität jedes Strahls betrug vor der Probe gemessen 8 mW/cm2. Da die Polarisationen der beiden Strahlen verschieden war (Strahl 1 war p-polarisiert, während Strahl 2 s-polarisiert war), wurde eine zweite Halbwellenplatte in den Strahl 2 eingeführt, um eine 90°-Drehung der Polarisation zu erreichen. Infolgedessen waren beide Strahlen p-polarisiert.The arrangement of the two beam coupling was as follows: A laser beam was split by a polarization beam splitter into two beams whose intensity could be changed by a first half wave plate placed in front of the polarization beam splitter. The wavelength of the laser was 532 nm, and the intensity of each beam measured before the sample was 8 mW / cm 2 . Since the polarizations of the two beams were different (beam 1 was p-polarized while beam 2 was s-polarized), a second half-wave plate was introduced into beam 2 to achieve a 90 ° rotation of the polarization. As a result, both beams were p-polarized.

Die Strahlen 1 und 2 schnitten sich innerhalb der Probe, die mit einer Hochspannungsquelle (Heizinger LNC 10000-5 neg) gepolt wurde. Es ist wichtig, absichtlich eine hohe negative Spannung an die erste Elektrode anzulegen, um Strahlauffächerung zu vermeiden. Bei diesem Ansatz erfolgte die Energieübertragung von Strahl 2 auf Strahl 1. Die Probe wurde in Bezug auf Strahl 1 um α = 40° und auf Strahl 2 um α + β = 60° geneigt. Diese Geometrie ist vorteilhaft, um einen hohen Projektionswert des Gittervektors auf E bereitzustellen. Der bereits berechnete Gitterabstand ergab ca. 2 μm.Rays 1 and 2 intersected within the sample, which was poled with a high voltage source (Heizinger LNC 10000-5 neg). It is important to intentionally apply a high negative voltage to the first electrode to avoid beam fan-out. In this approach, the energy was transferred from beam 2 to beam 1. The sample was tilted with respect to beam 1 by α = 40 ° and beam 2 by α + β = 60 °. This geometry is advantageous for providing a high projection value of the grating vector on E. The already calculated grid spacing was about 2 μm.

Die Energieübertragung zwischen den beiden Strahlen wurde durch die Detektion der Lichtintensität über zwei Photodioden beobachtet. Eine schnelle Photodiode detektierte die Intensität von Strahl 1, und ein folgender Stromverstärker (FEMTO DHPCA-100) wandelte den Photostrom in Spannung U um, die durch eine NI Box (USB-6009) empfangen wurde. Die Intensität von Strahl 2 wurde mit einem Lichtleistungssensor (Coherent Fieldmaster) nach einer Blende überwacht, die nach dem Öffnen der zweiten Halbwellenplatte angeordnet wurde.The energy transfer between the two beams was observed by the detection of light intensity across two photodiodes. A fast photodiode detected the intensity of beam 1, and a subsequent current amplifier (FEMTO DHPCA-100) converted the photocurrent into voltage U received through an NI box (USB-6009). The intensity of beam 2 was monitored with a Coherent Fieldmaster for a shutter placed after opening the second half-wave plate.

Die Messvorgang war, wie folgt: Das elektrisch Feld wurde langsam auf E = 40 V/μm erhöht. Das Feld blieb für 30 Sekunden angelegt, bevor die Messung der Lichtintensität gestartet und die Blende geöffnet wurde. Diese Zeit war erforderlich war, damit sich der Flüssigkristall parallel zum elektrischen Feld ausrichetete, wie aus den Ellipsometriemessungen gefolgert.The measurement procedure was as follows: The electric field was slowly increased to E = 40 V / μm. The field remained applied for 30 seconds before the measurement of the light intensity started and the shutter was opened. This time was required for the liquid crystal to align parallel to the electric field, as deduced from the ellipsometry measurements.

Darum kann die Kinetik der Energieübertragung photoleitenden Prozessen zugeschrieben werden. Die Messung von I von Strahl 1 wurde zu einem Zeitpunkt gestartet, der als t = 0 s definiert war, wobei die Blende geschlossen gehalten wurde. Die Blende wurde bei t = 5 s geöffnet und nach Erreichen der Stationarität bei t = 85 s für die PCBM-Proben und bei t = 45 s für die C12-4Cl-DiPBI-Proben geschlossen. Die Messung wurde bei t = 100 s für die PCBM-Probe und bei t = 60 s für die C12-4Cl DiPBI-Proben gestoppt. Diese Schritte wurden bei Erhöhen des elektrischen Feldes von 40 V/μm in Stufen von 2 V/μm auf 70 V/μm wiederholt. Die Zeit- und die Spannungsauflösung betrugen 1 ms bzw. 0,5 mV.Therefore, the kinetics of energy transfer can be attributed to photoconductive processes. The measurement of I from beam 1 was started at a time defined as t = 0 s with the shutter kept closed. The aperture was opened at t = 5 s and closed upon reaching stationarity at t = 85 s for the PCBM samples and at t = 45 s for the C12-4Cl DiPBI samples. The measurement was stopped at t = 100 s for the PCBM sample and at t = 60 s for the C12-4Cl DiPBI samples. These steps were repeated with increasing the electric field of 40 V / μm in steps of 2 V / μm to 70 V / μm. The time and voltage resolution were 1 ms and 0.5 mV, respectively.

Der Verstärkungskoeffizient Γ von photorefraktiven Verbundstoffen mit einer Molekülmenge von 136 mmol% des Sensibilisators PCBM oder 34 mmol% oder 136 mmol% des Sensibilisators C12-4Cl-DiPBI ist in 4 als eine Funktion des elektrischen Feldes dargestellt. Wie in 4 zu erkennen ist, wiesen die photorefraktiven Verbundstoffe mit 34 mmol% C12-4Cl-DiPBI einen Verstärkungskoeffizienten Γ auf, der zweimal so hoch wie der Verstärkungskoeffizient Γ der photorefraktiven Verbundstoffe mit 136 mmol% PCBM war. Die photorefraktiven Verbundstoffe mit 136 mmol% C12-4Cl-DiPBI wiesen einen niedrigeren Verstärkungskoeffizienten Γ auf, erreichten ihn aber schneller.The coefficient of enhancement Γ of photorefractive composites with a molecular weight of 136 mmol% of the sensitizer PCBM or 34 mmol% or 136 mmol% of the sensitiser C12-4Cl-DiPBI is in 4 as a function of the electric field. As in 4 As can be seen, the photorefractive composites with 34 mmol% C12-4Cl-DiPBI had a reinforcement coefficient Γ which was twice as high as the reinforcement coefficient Γ of the photorefractive composites with 136 mmol% PCBM. The photorefractive composites with 136 mmol% C12-4Cl-DiPBI had a lower gain coefficient Γ, but reached it faster.

5 zeigt die Schreibgeschwindigkeit des Gitters. In 5 ist die Kinetik die Energieübertragung als die Verstärkung γ als eine Funktion der Zeit zwischen den beiden Strahlen bei 70 V/μm der photorefraktiven Verbundstoffe dargestellt, die eine Molekülmenge von 136 mmol% des Sensibilisators PCBM oder 34 mmol% oder 136 mmol% des Sensibilisators C12-4Cl-DiPBI umfassen. Fünf Sekunden nach dem Beginn der Messung wurde die Blende für Strahl 2 geöffnet, und das Schreiben des Gitters wurde gestartet. Dies wird durch eine Energieübertragung zwischen den Strahlen 1 und 2 bewirkt, und 5 stellt die Energieausbeute des Strahls dar. Es wird angenommen, dass die schnellen Schreibgeschwindigkeiten der Verbundstoffe mit C12-4Cl-DiPBI auf der höheren Absorption und resultierenden Photoleitfähigkeit basieren. 5 shows the writing speed of the grid. In 5 The kinetic energy transfer is represented as the gain γ as a function of time between the two beams at 70 V / μm of the photorefractive composites, which has a molecular weight of 136 mmol% of the sensitizer PCBM or 34 mmol% or 136 mmol% of the sensitiser C12- 4Cl-DiPBI include. Five seconds after the start of the measurement, the aperture for beam 2 was opened and the writing of the grid was started. This is effected by an energy transfer between the beams 1 and 2, and 5 represents the energy yield of the beam. It is believed that the fast writing speeds of composites with C12-4Cl-DiPBI are based on the higher absorption and resulting photoconductivity.

Unter Verwendung einer Doppelexponentialfunktion, die dem Schreibgraphen entspricht, können zwei Zeitkonstanten bestimmt werden. Eine schnelle Konstante t1 wird durch den Prozess der Ladungserzeugung und des Ladungstransports beeinflusst, während die Orientierung der Flüssigkristalle zur zweiten, langsameren Konstanten t2 beiträgt.Using a double exponential function corresponding to the writing graph, two time constants can be determined. A fast constant t 1 is influenced by the process of charge generation and charge transport, while the orientation of the liquid crystals contributes to the second, slower constant t 2 .

6 zeigt die Schreibgeschwindigkeit und stellt die reziproke Zeitkonstante t1 als eine Funktion der Konzentration von C12-4Cl-DiPBI in den photorefraktiven Verbundstoffen dar. Es wurden photorefraktive Verbundstoffe mit Konzentrationen von 4,25, 8,5, 17, 34, 40,8, 54,4, 68, 102 und 136 mmol% C12-4Cl DiPBI verwendet. 6 shows the writing speed and represents the reciprocal time constant t 1 as a function of the concentration of C12-4Cl-DiPBI in the photorefractive composites. Photorefractive composites with concentrations of 4.25, 8.5, 17, 34, 40.8, 54.4, 68, 102 and 136 mmol% C12-4Cl DiPBI.

Für den PCBM-Verbundstoff betrug der Kehrwert der schnellen Zeitkonstanten 0,14 s–1. Der langsamste photorefraktive C12-4Cl-DiPBI-Verbundstoff war 10-mal schneller, während der schnellste photorefraktive C12-4Cl-DiPBI-Verbundstoff 100-mal schneller war.For the PCBM composite, the reciprocal of the fast time constant was 0.14 s -1 . The slowest photorefractive C12-4Cl-DiPBI composite was 10 times faster, while the fastest photorefractive C12-4Cl-DiPBI composite was 100 times faster.

Für den PCBM-Verbundstoff mit 136 mmol% PCBM betrug der Kehrwert der zweiten Zeitkonstanten 80 s. Selbst der langsamste photorefraktive C12-4Cl-DiPBI-Verbundstoff war beinahe zweimal so schnell wie der PCBM-Verbundstoff. Dies zeigt, dass die photorefraktiven C12-4Cl-DiPBI-Verbundstoffe wesentlich schneller als der PCBM-Verbundstoff sind.For the PCBM composite with 136 mmol% PCBM, the reciprocal of the second time constant was 80 s. Even the slowest photorefractive C12-4Cl-DiPBI composite was nearly twice as fast as the PCBM composite. This shows that the photorefractive C12-4Cl-DiPBI composites are significantly faster than the PCBM composite.

Diese Versuche zeigen, dass die Absorption der photorefraktiven Verbundstoffe mit C12-4Cl-DiPBI den gesamten Bereich des sichtbaren Lichts erfasst und den Verbundstoffen daher das Vermögen zur Photoleitfähigkeit verleiht. Die stabformähnlichen Moleküle sind imstande, sich in einem elektrischen Feld zu orientieren. Diese Fähigkeiten können selbst bei niedrigen Konzentrationen von C12-4Cl-DiPBI einen starken und schnellen photorefraktiven Effekt bewirken.These experiments show that the absorption of the photorefractive composites with C12-4Cl-DiPBI captures the full range of visible light and thus confers photoconductivity on the composites. The rod-like molecules are capable of orienting in an electric field. These capabilities can produce a strong and fast photorefractive effect even at low concentrations of C12-4Cl-DiPBI.

Claims (14)

Photorefraktiver Verbundstoff, umfassend einen Lochleiter, eine nichtlineare optische Einheit und einen Sensibilisator, wobei der Sensibilisator C12-4Cl-Diperylenbismid gemäß der folgenden Formel (1) ist:
Figure DE112011105620T5_0003
A photorefractive composite comprising a hole conductor, a non-linear optical unit and a sensitizer, wherein the sensitizer is C12-4Cl diperylene bismuth according to the following formula (1):
Figure DE112011105620T5_0003
Verbundstoff nach Anspruch 1, wobei der Verbundstoff C12-4Cl-Diperylenbisimid in einer Menge im Bereich von ≥ 0,001 Gew.-% bis ≤ 1 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von ≥ 0,002 Gew.-% bis ≤ 0,5 Gew.-%, insbesondere im Bereich von ≥ 0,01 Gew.-% bis ≤ 0,348 Gew.-% und ganz besonders im Bereich von ≥ 0,01 Gew.-% bis ≤ 0,122 Gew.-% bezogen auf eine Gesamtmenge des Verbundstoffs von 100 Gew.-% umfasst.A composite according to claim 1 wherein the composite comprises C12-4C1 diperylene bisimide in an amount in the range of ≥ 0.001 wt% to ≤ 1 wt%, preferably in the range of ≥ 0.002 wt% to ≤ 0.5 wt%. %, in particular in the range of ≥ 0.01% by weight to ≤ 0.348% by weight and more particularly in the range of ≥ 0.01% by weight to ≤ 0.122% by weight, based on a total amount of the composite of 100% by weight. Verbundstoff nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Lochleiter aus der Gruppe umfassend polymere Carbazolderivate, Poly(p-phenylenvinylen)-Derivate, N,N'-Bis(3-methylphenyl)-N,N'-diphenylbenzidin, polymere Derivate von N,N'-Bis(3-methylphenyl)-N,N'-diphenylbenzidin, Polythiophene, p-leitende Rylen-Farbstoffe, Tri-p-tolylamin, Pentacen und/oder Anthracen ausgewählt ist.A composite according to claim 1 or 2, wherein the hole conductor is selected from the group comprising polymeric carbazole derivatives, poly (p-phenylenevinylene) derivatives, N, N'-bis (3-methylphenyl) -N, N'-diphenylbenzidine, polymeric derivatives of N, N'-bis (3-methylphenyl) -N, N'-diphenylbenzidine, polythiophenes, p-type rylene dyes, tri-p-tolylamine, pentacene and / or anthracene. Verbundstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Lochleiter ein polymeres Carbazolderivat ist, das aus der Gruppe umfassend Poly(N-vinylcarbazol), Poly[methyl(3-carbazol-9-ylpropyl)siloxan] und/oder Poly(p-phenylenterephthalat) mit Carbazol-Seitengruppen ausgewählt und vorzugsweise Poly(9-vinylcarbazol) ist.A composite according to any one of the preceding claims, wherein the hole conductor is a polymeric carbazole derivative selected from the group consisting of poly (N-vinylcarbazole), poly [methyl (3-carbazol-9-yl-propyl) siloxane] and / or poly (p-phenylene terephthalate) selected with carbazole side groups and is preferably poly (9-vinylcarbazole). Verbundstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verbundstoff den Lochleiter in einer Menge im Bereich von ≥ 1 Gew.-% bis ≤ 84 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich ≥ 10 Gew.-% bis ≤ 70 Gew.-% und insbesondere im Bereich von ≥ 59,601 Gew.-% bis ≤ 59,807 Gew.-% bezogen auf eine Gesamtmenge des Verbundstoffs von 100 Gew.-% umfasst.A composite according to any one of the preceding claims, wherein the composite material comprises the hole conductor in an amount in the range of ≥ 1 wt% to ≤ 84 wt%, preferably in the range ≥ 10 wt% to ≤ 70 wt%, and in particular in the range of ≥ 59.601% by weight to ≤ 59.807% by weight based on a total amount of the composite of 100% by weight. Verbundstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die nichtlineare optische Einheit aus der Gruppe umfassend Cyanobiphenyle, Dicyanostyrol-Derivate, 1-Alkyl-5-[2-(5-dialkylaminothienyl)methylen]-4-alkyl-[2,6-dioxo-1,2,5,6-tetrahydropyridin]-3-carbonitril, 2-Dicyanomethylen-3-cyano-5,5-dimethyl-4-(4'-dihexylaminophenyl)-2,5-dihydrofuran, 4-N,N-Diethylamino-β-nitrostyrol, 3-Fluor-4-(N,N-diethylamino)-β-nitrostyrol, 2,5-Dimethyl-(4-p-nitrophenylazo)anisol, 3-Methoxy-(4-p-nitrophenylazo)anisol, 2-N,N-Dihexylamino-7-dicyanomethylidenyl-3,4,5,6,10-pentahydronaphthalen und/oder 3-(N,N-Di-n-butylanilin-4-yl)-1-dicyanomethyliden-2-cyclohexen ausgewählt ist.A composite according to any one of the preceding claims wherein the non-linear optical unit is selected from the group consisting of cyanobiphenyls, dicyanostyrene derivatives, 1-alkyl-5- [2- (5-dialkylaminothienyl) methylene] -4-alkyl- [2,6-dioxo] 1,2,5,6-tetrahydropyridine] -3-carbonitrile, 2-dicyanomethylene-3-cyano-5,5-dimethyl-4- (4'-dihexylaminophenyl) -2,5-dihydrofuran, 4-N, N- Diethylamino-β-nitrostyrene, 3-fluoro-4- (N, N-diethylamino) -β-nitrostyrene, 2,5-dimethyl- (4-p-nitrophenylazo) anisole, 3-methoxy- (4-p-nitrophenylazo) anisole, 2-N, N-dihexylamino-7-dicyanomethylidenyl-3,4,5,6,10-pentahydronaphthalene and / or 3- (N, N-di-n-butylanilin-4-yl) -1-dicyanomethylidene 2-cyclohexene is selected. Verbundstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die nichtlineare optische Einheit ein Cyanobiphenyl ausgewählt aus der Gruppe umfassend 4'-(n-Octyloxy)-4-cyanobiphenyl und/oder 4'-(n-Pentyl)-4-cyanobiphenyl, und vorzugsweise 4'-(n-Pentyl)-4-cyanobiphenyl, ist.A composite according to any one of the preceding claims, wherein the non-linear optical unit is a cyanobiphenyl selected from the group comprising 4 '- (n-octyloxy) -4-cyanobiphenyl and / or 4' - (n-pentyl) -4-cyanobiphenyl, and preferably 4 '- (n-pentyl) -4-cyanobiphenyl. Verbundstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verbundstoff die nichtlineare optische Einheit in einer Menge im Bereich von ≥ 5 Gew.-% bis ≤ 85 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich ≥ 20 Gew.-% bis ≤ 65 Gew.-% und insbesondere im Bereich von ≥ 40,052 Gew.-% bis ≤ 40,187 Gew.-% bezogen auf eine Gesamtmenge des Verbundstoffs von 100 Gew.-% umfasst.A composite according to any one of the preceding claims, wherein the composite comprises the nonlinear optical unit in an amount in the range of ≥ 5% to ≤ 85%, preferably in the range ≥ 20% to ≤ 65% by weight. and in particular in the range of ≥ 40.052% by weight to ≤ 40.187% by weight, based on a total amount of the composite of 100% by weight. Verbundstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verbundstoff Poly(9-vinylcarbazol), 4'-(n-Pentyl)-4-cyanobiphenyl und C12-4Cl-Diperylenbisimid in einem Verhältnis im Bereich von 59,802:40,187:0,010 Gew.-% bis 59,736:40,142:0,122 Gew.-% und vorzugsweise in einem Verhältnis von 59,601:40,052:0,348 Gew.-% umfasst.A composite according to any one of the preceding claims, wherein the composite comprises poly (9-vinylcarbazole), 4 '- (n-pentyl) -4-cyanobiphenyl and C12-4Cl-diperylenebisimide in a ratio in the range of 59,802: 40,187: 0.010% by weight. to 59.736: 40.142: 0.122% by weight, and preferably in a ratio of 59.601: 40.052: 0.348% by weight. Verwendung von C12-4Cl-Diperylenbisimid als Sensibilisator in einem photorefraktiven Verbundstoff, der einen Lochleiter und eine nichtlineare optische Einheit umfasst.Use of C12-4Cl diperylene bisimide as a sensitizer in a photorefractive composite comprising a hole conductor and a non-linear optical unit. Verwendung eines photorefraktiven Verbundstoffs nach einem der vorhergehenden Ansprüche in Holographietechniken, insbesondere in holographischen Datenspeichergeräten und holographischen Anzeigen, in der Optik und Laseroptik, insbesondere als einen optischen Schalter, einen Strahlteiler oder einen Intensitätsregler, oder in photovoltaischen Zellen, organischen Feldeffekttransistoren und organischen Leuchtdioden.Use of a photorefractive composite according to one of the preceding claims in holography techniques, in particular in holographic data storage devices and holographic displays, in optics and laser optics, in particular as an optical switch, a beam splitter or an intensity controller, or in photovoltaic cells, organic field effect transistors and organic light emitting diodes. Holographisches Datenspeichergerät oder holographische Anzeige, umfassend einen photorefraktiven Verbundstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 9.A holographic data storage device or holographic display comprising a photorefractive composite according to any one of claims 1 to 9. Optischer Schalter, insbesondere ein Strahlteiler oder Intensitätsregler, umfassend einen photorefraktiven Verbundstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 9.An optical switch, in particular a beam splitter or intensity regulator, comprising a photorefractive composite according to any one of claims 1 to 9. Organischer Halbleiter, insbesondere eine photovoltaische Zelle, ein organischer Feldeffekttransistor oder eine organische Leuchtdiode, umfassend einen photorefraktiven Verbundstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 9.An organic semiconductor, in particular a photovoltaic cell, an organic field-effect transistor or an organic light-emitting diode, comprising a photorefractive composite according to one of claims 1 to 9.
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