DE3490035C2 - - Google Patents

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DE3490035C2
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Richard Charles Columbia Md. Us Benson
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Johns Hopkins University
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Description

1. Bereich der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine optisch empfindliche Einrichtung, einen von Menschen lesbare optische Einrichtung, einen optischen Speicher und einen optoelektronischen Schalter mit einem organischen Charge-transfer-Salz, z. B. in Form eines Films, das durch einen Donor und einen mit diesem komplexierten, organischen Elektronen-Akzeptor gebildet wird, mit einer Quelle elektromagnetischer Energie bei optischer Frequenz, bzw. einer optischen Strahlung, wie einem optischen Schreibstrahl, wobei die Energie bzw. Strahlung einen Bereich auf dem organischen Elektronen- Charge-transfer-Salz bestrahlt und bewirkt, daß der bestrahlte Bereich eine elektrochemische topotaktische Redox-Reaktion eingeht, die eine Ladungsverschiebung zwischen dem organischen Elektronen-Akzeptor und dem Donor bewirkt, und dadurch den bestrahlten Bereich von einem Gleichgewichtszustand oder ersten Zustand in einen zweiten Zustand schaltet, wobei der zweite Zustand gegenüber dem Gleichgewichtszustand oder ersten Zustand feststellbar ein verschiedenes optisches Spektrum bzw. eine andere Farbe bzw. eine andere Impedanz aufweist.
2. Beschreibung der gegenwärtigen und/oder bekannten Technik
Mit dem Aufkommen der Revolution im Informationswesen haben sich die jüngsten Untersuchungsaktivitäten auf die Entwicklung optischer Speichersysteme und optoelektronischen Schalter konzentriert. Die Wechselwirkung von Laserlicht mit Materie wurde wegen ihrer möglichen Anwendung in optischen Speichersystemen intensiv erforscht. Eine optische Speicherung kann möglicherweise Informationsspeicherdichten von mehr als 100 Mio. Bits/cm hervorbringen. Gegenwärtig stützen sich optische Speichervorrichtungen auf fotochemisches Locheinbrennen (PHB), bei dem ein Laser in dem Bestreben, Daten zu speichern, die Materie durchlöchert. Aufsatz mit dem Titel "Laser Marking of a Thin Organic Film" von J.J. Wroble et al in Applied Physics Letter 40, Vol. 11, 1. Juni 1982, beschreibt solch eine Technik, bei der mittels eines Laserstrahls Löcher in einen dünnen organischen Film gebrannt werden. In ähnlicher Weise wird von Mabosch et al in Applied Physics Letter 41, Vol. 1, 1. Juli 1982 über optisches Schreiben auf einem blauen gespritzten Iridiumoxidfilm berichtet. Diese Technik benützt einen optischen Schreibmechanismus, um thermisch eine Dehydration bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes des optischen Mediums zu bewirken. Ein Artikel mit dem Titel "Light-induced Phenomena in Dye-polymer Systems" von V. Novotny et al in The Journal of Applied Physics 50 (3), März 1979, beschreibt einen optischen Markierungsprozeß, der sich auf die Diffusion in ein Farbpolymersystem stützt.
In der DD-PS 142 629 wird ein optoelektronischer Schalter beschrieben, bei dem eine metallorganische Verbindung durch die Einstrahlung elektromagnetischer Energie vom halbleitenden in den leitenden Zustand gebracht wird, wobei die molekulare Symmetrie des Einzelmoleküls kooperativ verändert wird, indem ein zentrales Metallion bzgl. einer fest im Kristallgitter verankerten Molekülebene ausgestülpt wird. Ein Charge-transfer-Effekt spielt dabei keine Rolle.
Die optischen Speichersysteme des Standes der Technik haben einen überwiegenden Nachteil - sie sind nicht löschbar. Aufgrund dessen hat die optische Speichertechnik in der Computer-Technologie, die sowohl Lese-, Schreibe- als auch Löscharbeitsvorgänge benötigt, eine geringe Anwendung gefunden.
Optoelektronische Hochgeschwindigkeits-Feststoffschalter werden gegenwärtig für eine Vielzahl von Datenverarbeitungsanwendungen untersucht und entwickelt, die Schalten, synchrones Gleichrichten, Umwandeln von analog in digital und Probenahmen beinhalten. Zusätzlich besteht auch beträchtliches Interesse an der Entwicklung von integrierten optoelektronischen Vorrichtungen (IOED) zur Anwendung in Hochgeschwindigkeitskreisen. Kombiniert mit einem modulierten Laser bilden optoelektronische Schalter eine wirkungsvolle Gruppe an integrierten Schaltkreisen zur Verwendung im optischen Übertragungswesen und in der Computer-Technologie. Solche Einrichtungen werden gegenwärtig aus hochohmigen lichtempfindlichen Halbleitern hergestellt, die von der Rekombination lichterzeugter Ladungsträger abhängig sind. Die beiden Grundtypen an Halbleiter-Fotodetektoren sind Flächendioden und Fotoleiterdetektoren, die Materialien wie InP und GaAs verwenden. Die optoelektronischen Vorrichtungen des Standes der Technik sind schwierig und teuer herzustellen.
Zwei US-Patentanmeldungen von R.S. Potember, T.O. Poehler und D.O. Cowan offenbaren eine Klasse organischer Charge-transfer-Salze, wie z. B. CuTCNQ, die ein stabiles und reproduzierbares Schalten zwischen einem Gleichgewichts- oder ersten Zustand und einem zweiten Zustand in Gegenwart eines angewandten elektrischen Feldes zeigen. Diese Anmeldungen sind:
  • (1) "Current Controlled Bistable Electrical Organic Thin Film Switching Device (TCNQ)", angemeldet 14. März 1980, Ser. Nr. 130 400 (jetzt US-Patent 43 71 883) und
  • (2) "Method of Fabricating a Current Controlled Bistable Electrical Organic Thin Film Switching Device (TCNQ)", angemeldet 7. Juni 1982, Ser. Nr. 385 523.
Diese Anmeldungen offenbaren insbesondere, daß die organischen Charge-transfer-Salze eine reversible elektrochemische topotaktische Redox-Reaktion in der Gegenwart eines angewandten elektrischen Feldes eingehen, wobei sie von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand schalten und daß ein nachweisbarer Impedanzunterschied zwischen dem Gleichgewichts- oder ersten Zustand und dem zweiten Zustand erfolgt. Es wird ein elektrisches Feld über einen dünnen Film von CuTCNQ oder ein gleichwertiges organisches Chargetransfer- Salz angelegt. Überschreitet das angelegte elektrische Feld einen Schwellwert, so fällt die Impedanz über dem organischen Film von einem relativ hohen zu einem relativ niedrigen Wert ab. Die Anmeldung offenbart weiterhin, daß sowohl bistabiles als auch Schwellwert-Schalten möglich ist.
Zwei Veröffentlichungen von R. S. Potember et al berichten, daß, wenn der organische Film elektrisch geschaltet wird, der zweite Zustand andere optische Eigenschaften als der Gleichgewichtszustand oder erste Zustand besitzt;
  • (1) "The Vibrational and X-ray Photoelectron Spectra of Semiconducting Copper-TCNQ Films" in Chemica Scripta, Vol. 17, Seiten 219-221 (1981); und
  • (2) "Electrial Switching and Memory Phenomena in Semiconducting Organic Thin Films" in American Chemical Society Symposium Series Nr. 184 (1982).
Diese Veröffentlichtungen beschreiben Infrarot-Spektroskopie- Vorrichtungen und zitieren bekannte Raman-Spektroskopietechniken (S. Matsuzaki et al), "Raman Spectra of Conducting TCNQ Salts", Solid State Communications, Vol. 33, S. 403-405 (1980), um zu bestimmen, ob sich der CuTCNQ-Film, nachdem er durch ein Gleich- oder Wechselstrom-Feld geschaltet wurde, im ersten oder im zweiten Zustand befindet. Daran anschließende Arbeiten wurden von E. I. Kamitsos et al berichtet, die Raman-Spektroskopie-Techniken verwenden, um die elektrochemische Charge-transfer-Gleichung, die in den oben zitierten Artikeln beschrieben ist, zu verifizieren, die bewirkt, daß das CuTCNQ-Salz vom ersten in den zweiten Zustand schaltet: "Raman study of the Mechanism of Electrical Switching in CuTCNQ films" in Solid State Communications, Vol. 42, Nr. 8, S. 561-565 (1982).
Diese Veröffentlichungen weisen darauf hin, daß spektroskopische Mittel benutzt werden können, um herauszufinden, ob ein Bereich des CuTCNQ, der durch ein angelegtes elektrisches Feld geschaltet wurde, sich im ersten oder zweiten Zustand befindet.
Weder diese Veröffentlichung noch die zuvor aufgeführten US-Anmeldungen nennen speziell die Verwendung eines optischen Frequenzstrahls, um die Charge-transfer-Salze zu schalten, um dadurch optoelektronisches Schalten und eine optische Speichertauglichkeit zu schaffen. Weiterhin verwenden die oben zitierten Veröffentlichungen nicht speziell die spektroskopische Analyse als Mittel zum "Lesen", ob ein Teil des organischen Charge-transfer-Salzes sich im ersten oder zweiten Zustand befindet. Weiterhin offenbaren die genannten Artikel und Anmeldungen nicht die Verwendung von optischem Schalten und spektroskopischer Analyse als Mittel zum optischen Speichern und Wiedererlangen von Informationen.
Aus dem Artikel "Optical Induced Transformations of Metal TCNQ Materials" von E. I. Kamitsos u. a., veröffentlicht in Solid State Communications, Vol. 45, Nr. 2, Seiten 165-169, 1983, sind allerdings Metall-TCNQ-Materialien bekannt, welche mittels sichtbaren Lichts von einem ersten in einen zweiten Zustand umgewandelt werden können und sich zum "Licht-Lesen" eignen. Aber auch diese Verbindungen sind noch nicht optimal. Wegen ihres Gehalts an Schwermetallen und den mit diesen verbundenen Entsorgungsproblemen sind ihre Anwendungsmöglichkeiten begrenzt.
Hauptinhalt der Erfindung
Die Erfinder haben die Grenzen der optoelektronischen Schalter und optischen Speichereinrichtungen des Standes der Technik erkannt und haben verbesserte Einrichtungen erfunden, die organische Charge-transfer-Salze als Schalt- und Speichermedium verwenden. Die Erfinder fanden heraus, daß organische Charge-transfer-Salze, bei denen der Donor organisch ist, durch optische Bestrahlung geschaltet werden können und daß spektroskopische Vorrichtungen und Impedanzmeßvorrichtungen dazu benutzt werden können, zu bestimmen, ob sich das Charge-transfer-Salz in seinem ersten (Gleichgewichts)- Zustand oder in seinem zweiten Zustand befindet.
Der optisch bestrahlte Bereich geht eine elektrochemische topotaktische Redox-Reaktion ein, die eine Ladungsverschiebung zwischen dem organischen Elektronen-Akzeptor und dem Donor verursacht. Wenn eine Schaltung erfolgt, zeigt die Analyse des Oxidationszustandes des Elektronen-Akzeptor- Bauteils, daß es sich im zweiten Zustand in einem erkennbar anderen Zustand befindet als es im ersten war. Es wird angenommen, daß der optische elektromagnetische Feldeffekt verursacht, die Bindungen zwischen dem organischen Elektronen- Akzeptor und dem Donor zu öffnen, um eine Ladungsverschiebung vom Donor auf den organischen Elektronen-Akzeptor zu ermöglichen. Das optische Feld erzeugt daher eine elektrochemische topotaktischhe Redox-Reaktion, die das organische Charge-transfer-Salz veranlaßt, von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand zu schalten.
Spektroskopische und/oder auf Impedanz ansprechende Mittel werden verwendet, um zu bestimmen, ob ein Bereich des organischen Charge-transfer-Salzes sich im ersten oder zweiten Zustand befindet. Der erste Zustand ist durch eine relative hohe und der zweite Zustand durch eine niedere Impedanz gekennzeichnet. Das optische Spektrum des organischen Charge-transfer-Salzes zeigt, daß ein wesentlicher Anteil des organischen Elektronen-Akzeptor-Bestandteils im zweiten Zustand ein höheres Oxidationsniveau aufweist als im ersten Zustand.
Demgemäß ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen löschbaren optischen Speicher, der organische Charge- transfer-Salze, bei denen der Donor nicht metallisch ist, als Speichermedium verwendet, zu schaffen. Die Erfinder haben festgestellt, daß, wenn die angewandte Strahlung einen ersten Schwellwert überschreitet, das organische Charge- transfer-Salz in den zweiten Zustand schaltet und daß es in den ersten Zustand zurückkehrt, wenn der Strahl weggenommen wird. Weiterhin haben sie festgestellt, daß, wenn die optische Strahlung weiter bis zu einem zweiten Schwellwert verstärkt wird, das organische Charge-transfer-Salz in den zweiten Zustand schaltet und nicht unmittelbar in den Gleichgewichtszustand oder ersten Zustand zurückkehrt. Sie haben weiterhin festgestellt, daß die Anwendung von Wärmeenergie, die entweder durch eine schwarze Strahlung oder durch optische Mittel erzeugt wird, das organische Charge-transfer-Salz veranlaßt wird, in den ersten Gleichgewichtszustand zurückzukehren. Die jeweiligen verwendeten organischen Charge- transfer-Salze, die Dauer der Bestrahlung und die Größe des bestrahlten Bereichs beeinflussen die Intensität des Lichts, die benötigt wird, um den ersten oder zweiten Schwellwert zu erreichen. Deshalb enthalten ganz allgemein die erfindungsgemäßen optischen Speicher: einen Film eines organischen Charge-transfer-Salzes; einen optischen Schreibstrahl, der so gerichtet ist, daß er eine von vielen Stellen auf der Oberfläche des organischen Charge-transfer- Salzes bestrahlt und das bestrahlte Gebiet verursacht, in den zweiten Zustand zu schalten; eine spektroskopische Vorrichtung, um eine der Vielzahl der Stellen zu analysieren und zu bestimmen, ob diese analysierte Stelle sich im ersten und zweiten Zustand befindet; und eine thermische Auslöschvorrichtung, um zumindest eine der Vielzahl der Stellen zu veranlassen, in ihren ersten Zustand zurückzukehren.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, mittels eines organischen Charge-transfer-Salzes, welches keinen metallischen Donor aufweist, ein optisches Medium zu schaffen, das mit dem bloßen menschlichen Auge gelesen werden kann. Die Erfinder haben festgestellt, daß eine Erhöhung der Intensität oder der Dauer der optischen Bestrahlung das organische Charge-transfer-Salz dazu veranlaßt, in dem bestrahlten Bereich seine Farbe zu ändern. Es wurde beobachtet, daß das Charge-transfer-Salz im zweiten Zustand eine ähnliche Farbe zeigt wie der organische Elektronen- Akzeptor-Baustein in seinem neutralen Zustand. Ein zusätzliches Ziel der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung bereitzustellen, um die sichtbaren Markierungen, die von dem optischen Strahl erzeugt werden, durch die Verwendung einer thermischen Auslöschvorrichtung zu löschen. Die thermische Auslöschvorrichtung kehrt die elektrochemische topotaktische Redox- Reaktion um, wobei sie das organische Charge-transfer-Salz veranlaßt, in den ersten Zustand zurückzukehren.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, einen optoelektronischen Schalter zu schaffen, der organische Charge-transfer-Salz, bei denen der Donor nicht metallisch ist, als Schaltmittel benutzt. Die Erfinder haben festgestellt, daß die Impedanz des organischen Charge- transfer-Salzes sich von hoch nach niedrig ändert, wenn die Bestrahlungsintensität einen gewissen Schwellwert überschreitet (Schwellwert-Schalten). Es wurde weiter festgestellt, daß das bestrahlte Gebiet nicht unmittelbar in den ersten Zustand zurückkehrt, wenn die Bestrahlungsintensität einen zweiten Schwellwert überschreitet (Bistabiles Schalten). Der erfindungsgemäße optoelektronische Schalter enthält: einen dünnen Film eines organischen Charge-transfer-Salzes, aufgebracht auf einem leitenden Substrat; einen halbdurchlässigen Leitungsfilm, der zumindest über einen Teil des organischen Charge-transfer-Salzes aufgebracht ist und erlaubt, optische Strahlung auf das organische Salz durchzulassen; eine erste Elektrode, verbunden mit dem leitenden Substrat; und eine zweite Elektrode, verbunden mit dem halbdurchlässigen Film. Wird das organische Charge-transfer- Salz mit der geeigneten optischen Intensität bestrahlt, so wird die Impedanz zwischen der ersten und zweiten Elektrode von hoch nach niedrig geschaltet.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, einen opto-elektronischen Schalter zu schaffen, der organische Charge-transfer-Salze, welche keinen metallischen Donor aufweisen, als Schaltmittel verwendet und der durch eine elektrische Spannung vorgespannt werden kann. Bei Anlegen einer Vorspannung zwischen der o. g. ersten und zweiten Elektrode kann die benötigte Lichtintensität, um das organische Charge-transfer-Salz von seinem ersten in seinen zweiten Zustand zu triggern, eingestellt werden. Besonders vorteilhaft kann ein bistabiler Schalter geschaffen werden, der in seinen ersten Zustand zurückgeschaltet werden kann, in dem die Vorspannung verringert wird.
Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt darin, mittels eines organischen, keinen metallichen Donor aufweisenden Charge-transfer-Salzes einen optoelektronischen Analog/Digital-Schalter zu schaffen. Erfindungsgemäß muß das einfallende Licht einen Schwellwert überschreiten, bevor die Vorrichtung zwischen den beiden abgegrenzten Impedanzzuständen schalten kann. Auf diese Art und Weise wandelt der optoelektronische Schalter ein analoges optisches Signal in ein diskretes oder digitales elektrisches Signal um.
Obwohl verschiedene Merkmale der Erfindung optoelektronische Schalter und optische Speichereinrichtungen betreffen, ist es selbstverständlich, daß die oben angeführten optischen Schaltfunktionen der organischen Charge-transfer-Salze Anwendungen in weiteren optischen Einrichtungen und optisch sensitiven Vorrichtungen finden können. Die oben aufgeführten Ziele sowie andere Ziele und Vorteile der Erfindung werden nach dem Lesen der folgenden Beschreibung einiger nicht begrenzender Ausführungsbeispiele und nach Betrachtung der beiliegenden Zeichnungen sogleich verständlich. Es zeigt:
Fig. 1 schematisch das optische Speichermedium,
Fig. 2 schematisch die spektroskopische Lesevorrichtung,
Fig. 3 schematisch die thermische Auslöschvorrichtung,
Fig. 4 schematisch einen optoelektronischen Schalter, der ein organisches Charge- transfer-Salz als Schaltmechanismus verwendet.
Die grundlegende elektrochemische topotaktische Redox- Reaktion, die abläuft, wenn ein organisches Charge-transfer- Salz, bei welchem der Donor organisch ist, mit einem Strahl an optischer Energie bestrahlt wird und von einem ersten in einen zweiten Zustand schaltet, ist dieselbe wie bei einem ein Metall enthaltenden Charge-transfer-Salz, bei dem folgende Gleichung gilt:
Es wird angenommen, daß ein Schalten erfolgt, weil die elektromagnetische Feldstärke mit optischer Frequenz bewirkt, daß die Bindungen zwischen dem organischen Elektronen-Akzeptor (in diesem Falle TCNQ) und dem Donor (dargestellt durch M) aufbrechen, wobei ein Ladungstransport vom Donor zum organischen Elektronen-Akzeptor ermöglicht wird. Die oben genannte Gleichung (1) zeigt in klarer Weise die Änderung der Ladungsverteilung, wenn das organische Salz von dem ersten in den zweiten Zustand schaltet. In dem ersten oder Gleichgewichtszustand wird der organische Elektronen-Akzeptor-Bauteil meist ausschließlich in der reduzierten Form (TCNQ-) gefunden. In dem zweiten Zustand wird der organische Elektronen-Akzeptor- Bauteil jedoch sowohl in seiner reduzierten (TCNQ-) als auch in der neutralen TCNQ°-Form gefunden. Wird die Intensität und die Dauer der einfallenden optischen Strahlung erhöht, so erhöht sich die Anzahl der neutralen organischen Elektronen-Akzeptor-Moleküle (TCNQ°). Die Gleichung (1) zeigt ebenfalls, daß die Reaktion durch Wärmeenergie umkehrbar ist. Es ist selbstverständlich, daß Gleichung (1) TCNQ als organischen Elektronen-Akzeptor nur als Beispiel zeigt. An späterer Stelle in dieser Beschreibung werden verschiedene organische Charge-transfer-Salze aufgeführt, die verschiedene Elektronen-Donor- und Elektronen-Akzeptor- Bauteile besitzen und die in der Gegenwart von optischer Strahlung schalten.
Die einfallende optische Energie muß eine erste Schwellwerthöhe erreichen, bevor das organische Charge-transfer-Salz von dem ersten in den zweiten Zustand schaltet. Die erste Schwellwertintensitätshöhe wird bestimmt durch (1) die Wahl des organischen Transfer-Salzes; (2) die Größe des einfallenden Strahles; (3) die Dauer des angewandten optischen Strahls; und (4) die Dicke des organischen Salzfilmes. Je größer die Bindungsenergie zwischen dem organischen Elektronen-Akzeptor und dem Donor ist, desto größer ist die Schwellwerthöhe, die benötigt wird, um ein Schalten von dem ersten in den zweiten Zustand zu initiieren. Beim Schwellwertschalten kehrt der bestrahlte Bereich, nachdem der optische Strahl weggenommen ist, schnell in den ersten Zustand zurück.
Für ein Speicherschalten wird jedoch die Intensität und die Dauer des optischen Strahles erhöht und der bestrahlte Bereich widerstrebt, nachdem der optische Strahl weggenommen wird, in den thermodynamisch stabilen ersten Zustand zurückzukehren. In den meisten Fällen ist die thermische Energie der Umgebung nicht ausreichend, um die elektrochemische Reaktion in den ersten Zustand umzukehren und es ist eine beträchtliche Zeitspanne notwendig, bevor der bestrahlte Bereich in den ersten Zustand zurückkehren kann. Daher wird ein Speichermedium erzeugt, das zwei stabile Zustände aufweist: einen ersten Zustand (oder eine logische "0") und einen zweiten oder Schaltzustand (oder eine logische "1"). Die Zeitdauer, in der der Speicher gehalten werden kann, hängt ab von: (1) der Auswahl des organischen Charge- transfer-Salzes; (2) dem Durchmesser des einfallenden Strahls; (3) der Dauer und Intensität des angewandten optischen Feldes; und (4) von der Dicke des organischen Salzfilms.
Der Speicherschalter kann gelöscht oder zu dem ersten Zustand zurückgekehrt werden, indem Wärme auf dieses Gebiet des organischen Charge-transfer-Salzes angewendet wird. Die angewandte Wärme kann durch elektrische oder optische Vorrichtungen erzeugt werden. In einem später beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel wurde Wärme, die durch einen CO₂-Laser erzeugt wurde, verwendet, um einen Bereich auf dem Speichermedium in seinen ersten Zustand zurückkehren zu lassen.
Bevor ein Bereich geschaltet werden kann und als "Schwellwertschalter" reagiert, muß eine erste optische Schwellwerthöhe erreicht werden. Wird die Intensität erhöht, so ändert sich das Schalten bei einzelnen organischen Charge- transfer-Salzen von "Schwellwertschalten" in "Speicherschalten". Es sei noch angemerkt, daß die Frequenz des optischen Strahls aus dem ultravioletten sichtbaren und/oder infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums ausgewählt werden kann.
Wie bereits vorhergehend aufgezeigt, können spektroskopische Vorrichtungen verwendet werden, um zu bestimmen, ob eine Stelle auf der Oberfläche eines organischen Charge- transfer-Salzes sich im ersten oder zweiten Zustand befindet. Es können sowohl Infrarot- als auch Raman-Spektroskopie- Vorrichtungen verwendet werden, um festzustellen, ob eine Stelle auf dem organischen Charge-transfer-Salz im ersten oder zweiten Zustand ist. Obwohl in den bevorzugten Ausführungsbeispielen Raman-Spektroskopie-Techniken oder Techniken, die einen gewissen engen Bandenausschnitt des von dem organischen Charge-transfer-Salz reflektierten Laserlichts analysieren, angewandt und später beschrieben werden, ist es selbstverständlich, daß jegliche weitere bekannte spektroskopische oder ähnliche Techniken benutzt werden können, die in der Lage sind, eine Änderung im Oxidationszustand eines organischen Elektronen-Akzeptor- Bauteils oder eine Änderung im Reduktionszustand des Donor- Bauteils festzustellen (d. h. entweder ESCA-Spektroskopie-, Röntgen-Fotoelektronen-Spektroskopie oder Raman- oder Infrarotspektroskopie-Vorrichtungen können die Änderung des Oxidationszustandes des Donors und/oder des organischen Elektronen-Akzeptor-Bauteils bestimmen).
Die Raman- Spektrenbanden sind empfindlich gegenüber der Ladung auf dem organischen Elektronen-Akzeptor-Bauteil, das zum Beispiel TCNQ ist. Die Spektralbanden ν₂, ν₄, ν₆ und ν₇ werden stark durch die elektronische Struktur des TCNQ beeinflußt. Die ν₄-Schwingung, die die "C=C-Streckenschwingung" darstellt, erscheint für neutrales TCNQ (d. h. TCNQ°) bei einer Wellenzahl von 1451 cm-1. Im ersten Zustand erscheint die TCNQν₄-Schwingung bei 1451 cm-1 nicht als Spektralbande. Das weist darauf hin, daß im ersten Zustand sich nahezu alle TCNQ-Bauteile in der reduzierten oder TCNQ- Form befinden.
Der zweite Zustand besitzt jedoch ein optisches Spektrum, das durch das Auftreten einer starken Bande bei 1451 cm-1 gekennzeichnet ist, die wiederum ein Beweis für das Vorhandensein von neutralem TCNQ (d. h. TCNQ°) ist.
Falls andere organische Charge-transfer-Salze verwendet werden, werden andere Spektralbanden verwendet, um diese Analyse durchzuführen. Das Prinzip ist jedoch dasselbe, man verwendet spektroskopische Vorrichtungen, um die Änderungen der Ladungsverteilung des organischen Elektronen-Akzeptors zu beobachten, wenn das organische Charge-transfer-Salz von dem ersten in den zweiten Zustand schaltet. Man wählt dann solch eine Spektralbande aus, die eine Raman-Schwingung zeigt, die im ersten Zustand, jedoch nicht im zweiten Zustand erscheint. Es können dann bekannte Techniken verwendet werden, um eine spektroskopische Vorrichtung aufzubauen und die Intensität der ausgewählten Spektralbande zu messen.
Die Änderung im optischen Spektrum, wenn das organische Charge-transfer-Salz vom ersten in den zweiten Zustand schaltet, kann auch direkt mit dem bloßen menschlichen Auge beobachtet werden. Wird der optische Strahl intensiviert oder die Dauer erhöht, so können, wenn der Strahl über die Oberfläche streicht, Linien oder Muster auf der Oberfläche des organischen Charge-transfer-Salz-Films erzeugt werden. Diese Muster sind optisch als ein Ergebnis der Ausbildung von mikroskopischen Gebieten an neutralem organischem Elektronen-Akzeptor zu erkennen.
Es kann ganz allgemein festgestellt werden, daß die Farbe des zweiten Zustandes sehr der Farbe des neutralen organischen Elektronen-Akzeptor-Bauteils ähnelt. Der Farbwechsel verifiziert die oben beschriebene Gleichung und zeigt, daß neutrale Moleküle des organischen Elektronen-Akzeptors erzeugt werden, wenn das organische Charge-transfer-Salz bestrahlt wird. Es wurde herausgefunden, daß, wenn Wärme auf die Oberfläche angewendet wird, die elektrochemische topotaktische Reaktion sich umgekehrt, wodurch die beobachtbaren Linien "ausgelöscht" werden. Die Wärmeenergie kann direkt auf die Filmoberfläche durch einen gebündelten CO₂-Laser zur Wärmeerzeugung angewendet werden.
Zusätzlich zur Messung des Übergangs zwischen den beiden Zuständen des organischen Charge-transfer-Salzes durch Anwendung spektroskopischer Vorrichtungen kann man die Änderungen der elektrischen Impedanz messen. Um die hohe oder niedere Impedanzhöhe zu bestimmen, können bekannte elektronische Schaltkreise als Vorrichtungen verwendet werden.
Es wurden eine Reihe organischer Charge-transfer-Salze gefunden, die von dem ersten in den zweiten Zustand in Gegenwart von Energie eines optischen Feldes, wie oben beschrieben, schalten. Es wurde festgestellt, daß verschiedene TCNQ-Derivate, falls sie mit einem organischen, im folgenden spezifizierten Donor komplexiert werden, ein organisches Charge-transfer-Salz bilden, das in der Lage ist, optisch zu speichern und/oder zu schalten. Die folgenden organischen Substanzen fungieren als Donor, wenn sie mit einem organischen Elektronen-Akzeptor komplexiert werden: Tetrathioethylene, Dithiodiaminoethylene, Dithiodiselenoethylene, Tetraminoethylene, Azene und aromatische Heterozyklen.
Beispiele der TCNQ-Derivate werden in der folgenden Tabelle gezeigt:
TCNQ (OMe)
TCNQ IMe
TCNQ (OMe)₂ TCNQ I
TCNQ (OMe) (OEt) TCNQ (OMe) (OCH₃)₂
TCNQ (OMe) (O-i-Pr) TCNQ (CN)₂
TCNQ (OMe) (O-i-Bu) TCNQ (Me)
TCNQ (O-i-C₂H₅) TCNQ (Et)
TCNQ (OEt) (SMe) TCNQ (i-Pr)
TCNQ Cl TCNQ (i-Pr)₂
TCNQ Br @ TCNQ ClMe @ TCNQ Br Me
Die Erfinder haben weiterhin festgestellt, daß, wenn ein organischer Elektronen-Akzeptor, der zumindest eine funktionelle Cyanomethylengruppe enthält, mit einem Donor- Bauteil, um ein organisches Salz zu bilden, komplexiert wird, dieses organische Salz Speicher- und Schaltfähigkeiten besitzt. Es wurde auch festgestellt, daß, wenn ein organischer Elektronen-Akzeptor, der zumindest eine Chinolineinheit enthält, mit einem Donor-Bauteil, um ein organisches Salz zu bilden, komplexiert wird, das organische Salz ebenso Speicher- und Schaltfähigkeiten besitzt. Wird ein organisches Salz aus den folgenden organischen Elektronen- Akzeptoren gebildet, so ist das organische Salz in der Lage, optisch zu speichern und/oder zu schalten:
Tetracyanochinodimethan (TCNQ),
Tetracyanonaphthochinodimethan (TNAP),
Tetracyanoethylen (TCNE),
2,3-Dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzochinon (DDQ),
Hexacyanobutadien (HCBD),
9,9,10,10-Tetracyano-1,4-naphthochinodimethan (bento-TCNQ),
2,5-Bis-(dicyanomethylen)-2,5-dihydrothiophen,
2,5-Bis-(dicyanomethylen)-2,5-dihydroselenol,
Thienyl-TCNQ (T-TCNQ),
Selenolyl-TCNQ (Se-TCNQ),
Tetracyano-chino-chinazolin (TCQQ),
Hexacyanotrimethylen cyclopropan (HCTMCP),
2,4-Bis (dicyanomethylen)-1,3-dithietan (BDDT), und
eines der TCNQ-Derivate aus der oben gezeigten Tabelle.
Es ist selbstverständlich, daß weitere organische Transfer-Salze aufgefunden werden können, die mit organischen Elektronen-Akzeptoren gebildet werden können, wobei diese entweder funktionelle Cyanomethylengruppe oder Chinolineinheiten aufweisen und andere organische Salze, die ähnliche Charakteristika aufweisen, wobei diese in Gegenwart optischer Strahlungen dem o. g. ersten Zustand in den zweiten Zustand schalten können.
Es wird empfohlen, das organische Charge-transfer-Salz bis zu einer Filmdicke von 5 µm anwachsen zu lassen. (Es wurde bereits zuvor angemerkt, daß die Filmdicke die benötigte Intensität des optischen Schwellwertes beeinflußt.)
Verfahren wie das Aufdampfen des Donors auf ein Substrat und anschließendes Aufdampfen von - z. B. - TCNQ, um eine Komplexreaktion einzugehen, oder andere bekannte chemische Verfahren können zur Bildung der organischen Charge-transfer-Salze eingesetzt werden, die zur optischen Speicherung verwendet werden. Es wurde festgestellt, daß die Herstellung von elektronischen Schaltkreisen, die organische Charge-transfer-Salze benutzen, vereinfacht werden kann, da das Salz im ersten oder Gleichgewichts-Zustand in organischen Lösungsmitteln unlöslich sein kann, wohingegen es im zweiten Zustand in organischen Lösungsmitteln löslich ist.
Fig. 1 zeigt schematisch ein optisches Speichersystem, das ein organisches Charge-transfer-Salz als Speichermedium verwendet. Das organische Charge-transfer-Salz 20 ist auf einem Basisträgermaterial 22 aufgebracht. Wie zuvor aufgezeigt, wurden gute Ergebnisse mit einer Filmdicke von 5 µ des organischen Charge-transfer-Salzes gefunden. Ein optisch transparenter Schutzüberzug 24 kann auf die Oberfläche des organischen Charge-transfer-Salz-Films 20 aufgebracht werden. Ein optischer Schreibstrahl 26 wird auf eine bestimmte Stelle 28 auf der Oberfläche des organischen Charge-transfer-Films 20 konzentriert. Der optische Strahl kann aus einer hochintensiven Lichtquelle oder einer Laserquelle wie ein Argon- oder CO₂-Laser bestehen, der so fokussiert ist, daß er ein Feld auf der Filmoberfläche erzeugt. Wie zuvor angeführt, ergibt die Intensität des Strahls folgendes Ergebnis:
(1) Ist die Strahlungsintensität unter dem Wert des ersten Schwellwertes, wie zuvor definiert, so verbleibt das organische Charge-transfer-Salz an der Stelle 28 im ersten Zustand; (2) wird die Strahlungsintensität über den ersten Schwellenwert erhöht, schaltet die Stelle 28 in den zweiten Zustand, schaltet jedoch in den ersten Zustand zurück, wenn der optische Strahl weggenommen wird; (3) wird die Strahlungsintensität und/oder Dauer weiter erhöht, schaltet das organische Charge-transfer-Salz an Stelle 28 für eine unbestimmte Zeitdauer in den zweiten Zustand; (4) wird die optische Strahlbreite, die Intensität und/oder die Dauer weiter erhöht, so erscheint eine sichtbare Farbänderung an der Stelle 28. Wie zuvor angeführt, hängt die benötigte optische Intensität, um die obigen Änderungen zu erzeugen, von der Wahl des organischen Charge-transfer- Salzes, der Filmdicke und dem Bereich und der Intensität des anfallenden optischen Strahls ab. Bei einem Speichersystem kann ein optischer Strahl 26 mit ausreichender Intensität durch bekannte optische Vorrichtungen auf andere Stellen auf der Oberfläche des organischen Charge-transfer- Salzes 20 gerichtet werden und kann diese anderen Stellen von dem ersten in den zweiten Zustand schalten. Durch "Ein- und Ausschalten" des Strahls an bestimmten Stellen kann der logische Zustand "1" oder "0" in dem optischen Speichermedium eingebracht werden. Alternativ dazu kann, wenn eine höhere optische Intensität oder längere Zeitdauer angewendet wird, der optische Strahl 26 durch bekannte optische Mittel so gerichtet werden, daß er sichtbare Muster auf das organische Charge-transfer-Salz 20 "zeichnet".
Sind einmal Daten in dem organischen Charge-transfer-Salz- Speichermedium gespeichert, so kann eine spektroskopische Vorrichtung verwendet werden, um zu bestimmen, ob eine bestimmte Stelle auf dem organischen Film sich im ersten oder zweiten Zustand befindet. Fig. 2 zeigt schematisch eine spektroskopische Vorrichtung und weist die Stellen 28 und 30 auf, die zwei einer möglichen Vielzahl von Speicherstellen, die Daten enthalten, darstellen. Eine Lichtquelle oder ein optischer Lesestrahl 32 wird so gerichtet, daß eine der Stellen 28 mit einer Intensität, die genügend unterhalb der ersten Schwellwertintensität liegt, bestrahlt wird, so daß der Zustand an der Stelle 28 nicht zerstört wird. Die Lichtquelle 32 zur Raman-spektroskopischen Analyse sollte eine monochromatische Quelle sein und es wird die Verwendung von Laserquellen vorgeschlagen. Das von der ausgewählten Stelle auf der Filmoberfläche 28 reflektierte Licht 34 wird durch den optischen Filter 36 gesammelt und gefiltert und durchläuft eine Vorrichtung 38, um die spektrale Intensität zu messen. Der optische Filter 36 läßt nur die gewünschte Spektralbande, die in der o. g. Art und Weise ausgewählt wurde, durch. Die spektrale Meßvorrichtung 38 zeigt an, ob der reflektierte Strahl 34, der den Filter 36 passiert hat, eine große oder kleine Amplitude aufweist. Das wiederum zeigt an, ob sich die Stelle 28 im ersten oder zweiten Zustand befunden hat. Der optische Lesestrahl 32 kann durch bekannte optische Vorrichtungen auf jede der Vielzahl der Stellen (d. h. 28, 30) auf der Oberfläche des organischen Charge-transfer-Salzes 20 gerichtet werden, um festzustellen, ob diese bestimmte Stelle sich im ersten oder im zweiten Zustand befindet, das bedeutet, ob die bestimmte Stelle eine logische "1" oder logische "0" speichert.
Fig. 3 zeigt schematisch die thermische Auslöschvorrichtung, die dazu verwendet wird, die elektrochemische topotaktische Redox-Reaktion umzukehren und zumindest eine der Vielzahl der Stellen auf der Oberfläche des organischen Charge-transfer- Salzes 20 veranlaßt, in den ersten Zustand zurückzukehren. Fig. 3 zeigt zwei verschiedene Ausführungsbeispiele einer thermischen Auslöschvorrichtung. Das erste Ausführungsbeispiel verwendet thermische Strahlung eines optischen Strahls 40, der auf die Stelle 28 konzentriert ist, um genügend Wärme hervorzubringen, um diesen Bereich in den ersten Zustand zurückzuschalten. Es wurde herausgefunden, daß ein CO₂-Laser mit einer Intensität unterhalb des ersten Schwellwertes auf die Stelle 28 während einer Zeitspanne gerichtet werden kann, die ausreichend ist, um genügend Wärme zu erzeugen, um den Bereich in den ersten Zustand zurückzuschalten. Der optische Wärmestrahl 40 kann durch bekannte optische Vorrichtungen, um weitere Stellen auf der organischen Charge-transfer-Salz-Oberfläche 20 auszulöschen, gerichtet werden. Ein anderes Ausführungsbeispiel verwendet ein elektrisches Heizelement, das unter dem Substrat 22 angebracht ist, um genügend Wärmeenergie zu erzeugen, um ein Teil des organischen Charge-transfer-Salz-Films 20 zu "löschen".
In einem weiteren Ausführungsbeispiel können der optische Schreibstrahl 26, der optische Lesestrahl 32 und der optische Wärmestrahl 40 durch eine einzige Laserquelle durch Variation der Intensität und der Dauer des Strahls erzeugt werden. Es können weitere bekannte Vorrichtungen verwendet werden, um die gewünschten optischen Schreib-, Lese- und Löschstrahlen zu erzeugen und diese Strahlen auf die gewünschte Stelle auf der Oberfläche des organischen Charge-transfer-Salzes zu richten.
Fig. 4 zeigt die schematische Darstellung eines optoelektronischen Schalters, der ein organisches Charge- transfer-Salz als Schaltmechanismus verwendet. Der optoelektronische elektronische Schalter enthält ganz allgemein: einen dünnen Film eines organischen Charge-transfer-Salzes 44, aufgebracht auf einem leitenden Substrat 46; einen halbdurchlässigen leitenden Film 48, der zumindest über einen Teil des organischen Films 44 aufgebracht ist; eine erste Elektrode 50 verbunden mit dem leitenden Substrat 46; eine zweite Elektrode 52 verbunden mit dem halbdurchlässigen leitenden Film 48. Wie bereits o. g., kann die Stärke des Charge-transfer-Salz- Films 44 annähernd 5 µ betragen. Der halbdurchlässige leitende Film 48 kann aus einem Metall wie Aluminium oder Chrom bestehen und kann direkt auf den organischen Film 44 bis zu solch einer Stärke aufgespritzt oder aufgedampft werden, die eine teilweise Transmission der optischen Strahlung 54 erlaubt. Es kann ein optisches Isoliermaterial 56 angewendet werden, um den organischen Film 44 zu isolieren, wenn die zweite Elektrode 52 mit dem halbdurchlässigen leitenden Film 48 verbunden ist. Im Betrieb, d. h. wenn der optische Strahl 54, wie oben beschrieben, den ersten Schwellwert überschreitet, schaltet der Oberflächenbereich 58, der durch den Strahl bestrahlt wird, in den zweiten Zustand und die elektrische Impedanz, die zwischen den beiden Elektroden 50 und 52 gemessen wird, fällt von einer hohen Impedanz zu einer niederen ab. Wird der Strahl 54 weggenommen oder wenn die Intensität unter den ersten Schwellwert fällt, kehrt der bestrahlte Bereich 58 in den ersten Zustand zurück (d. h. Schwellwert-Schalten). Wird jedoch die Intensität und/oder die Dauer des optischen Strahls 54 erhöht, so wird der optoelektronische Schalter für einen unbestimmten Zeitraum in den zweiten Zustand geschaltet (d. h. bistabiles Schalten). Die Zeitspanne, die der Schalter im zweiten Zustand oder im Zustand geringer Impedanz bleibt, hängt ab von: (1) der Wahl des organischen Charge-transfer-Salzes; (2) der Dicke des Films; (3) der Zeitdauer und der Intensität des bestrahlenden optischen Strahls; (4) des Bereichs des Strahls und (5) der vorhandenen oder angewandten thermischen Energie. Der bistabile Schalter wie oben beschrieben, kann durch die Anwendung von Wärmeenergie mittels der o. g. Verfahren oder durch äquivalente Verfahren in den ersten Zustand zurückgebracht werden.
Es müssen verschiedene besonder Merkmale des optoelektronischen Schaltmechanismus hervorgehoben werden.
Zum ersten muß die Intensität des optischen Strahls den ersten Schwellwert überschreiten, bevor die Vorrichtung schaltet. Auf diese Art und Weise kann ein optisches analoges Signal in ein diskretes digitales elektrisches Signal umgewandelt werden. Zum zweiten kann die Gleichstromvorspannung angewendet werden, um die Strahlungsintensität anzugleichen, die nötig ist, um das organische Charge-transfer-Salz zu schalten. Wie bereits erwähnt, schaltet das organische Charge-transfer-Salz von dem ersten in den zweiten Zustand entweder aufgrund eines angewandten elektrischen Feldes oder eines optischen Feldes. Deshalb kann bei Anwendung der Gleichstromvorspannung die benötigte optische Intensität reduziert werden. Die angewandte Gleichstromspannung und der optische Strahl addieren einander, um das elektrische Feld zu erzeugen, das verursacht, das organische Charge-transfer-Salz von dem ersten in den zweiten Zustand zu schalten. Auf diese Art und Weise ist es ebenfalls möglich, einen bistabilen optoelektronischen Schalter durch selbstständiges Reduzieren der Vorspannung in seinen ersten Zustand zurückzuschalten. Es kann sowohl der optische Strahl als auch die Gleichspannungsspannung in verschiedenen Kombinationen, um das optische Charge-transfer-Salz zu schalten, angewendet werden.
Offensichtlich sind verschiedene Modifikationen und Variationen vorliegender Erfindung im Rahmen derobigen Lehre möglich. Es versteht sich deshalb, daß im Rahmen der beigefügten Ansprüche die Erfindung auch in anderer Weise als hier speziell beschrieben, praktiziert werden kann.

Claims (58)

1. Optisch empfindliche Einrichtung, mit einem organischen Charge-transfer-Salz, das durch einen Donor, der mit einem organischen Elektronen-Akzeptor komplexiert ist, gebildet wird, mit einer Quelle elektromagnetischer Energie bei optischer Frequenz, wobei die elektromagnetische Energie einen Bereich auf dem organischen Elektronen-Charge-transfer-Salz bestrahlt und bewirkt, daß der bestrahlte Bereich eine elektrochemische topotaktische Redox-Reaktion eingeht, die eine Ladungsverschiebung zwischen dem organischen Elektronen-Akzeptor und dem Donor bewirkt, und dadurch den bestrahlten Bereich von einem Gleichgewichtszustand in einen zweiten Zustand schaltet, wobei der zweite Zustand eine gegenüber dem Gleichgewichtszustand feststellbar verschiedenes optisches Spektrum aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Donor eine organische Substanz, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Tetrathioethylenen, Dithiodiaminoethylen, Dithiodiselenoethylenen, Tetraminoethylenen, Azenen und aromatischen Heterozyklen ist und chemische Eigenschaften aufweist, die die Bildung eines organischen Salzes, wenn sie mit dem organischen Elektronen-Akzeptor komplexiert wird, ermöglichen.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Zustand eine gegenüber dem Gleichgewichtszustand feststellbare verschiedene Farbe aufweist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Zustand eine gegenüber dem Gleichgewichtszustand feststellbar verschiedene elektrische Impedanz aufweist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das organische Charge-transfer-Salz im Gleichgewichtszustand in organischen Lösungsmitteln unlöslich und im zweiten Zustand in organischen Lösungsmitteln löslich ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Wärmeenergiequelle, um die elektrochemische topotaktische Redox-Reaktion umzukehren, wobei veranlaßt wird, Ladung vom Donor zum organischen Elektronen-Akzeptor zurückzuübertragen und dadurch der bestrahlte Bereich in den Gleichgewichtszustand zurückkehrt.
6. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine spektroskopische Vorrichtung, die auf einen Bereich des organischen Charge-transfer-Salzes fokussiert ist, um zu bestimmen, ob sich dieser Bereich im Gleichgewichtszustand oder im zweiten Zustand befindet.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die spektroskopische Vorrichtung das Vorhandensein von neutralen Molekülen des organischen Elektronen-Akzeptors feststellt, wobei der zweite Zustand mehr neutrale Moleküle des Elektronen-Akzeptors aufweist als der Gleichgewichtszustand.
8. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die spektroskopische Vorrichtung die Stärke von zumindest einer Spektralbande mißt, die den neutralen Molekülen des organischen Elektronen-Akzeptors zugehörig ist, wobei die zumindest eine Spektralbande im zweiten Zustand eine größere Stärke aufweist als im Gleichgewichtszustand.
9. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die spektroskopische Vorrichtung die Änderung des Oxidationszustandes des organischen Elektronen-Akzeptors feststellt und dadurch erkennt, ob sich der Bereich im Gleichgewichtszustand oder im zweiten Zustand befindet.
10. Einrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung, die die Impedanz über einen Bereich des organischen Charge-transfer-Salzes feststellt und bestimmt, ob sich der Bereich im ersten oder zweiten Zustand befindet.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Feststellung der Impedanz für den zweiten Zustand eine geringere Impedanz feststellt als für den Gleichgewichtszustand oder ersten Zustand.
12. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Farbunterschied zwischhen dem ersten und zweiten Zustand mit dem bloßen Auge wahrnehmbar ist.
13. Einrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der organische Elektronen-Akzeptor eine organische Substanz enthält, die zumindest eine funktionelle Cyanomethylen-Gruppe beinhaltet und die chemischen Eigenschaften aufweist, die die Bildung eines organischen Salzes, wenn sie mit dem Donor komplexiert wird, ermöglichen.
14. Einrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der organische Elektronen-Akzeptor eine organische Substanz erhält, die zumindest eine Chinolineinheit beinhaltet und die chemischen Eigenschaften aufweist, die die Bildung eines organischen Salzes, wenn sie mit dem Donor komplexiert wird, ermöglichen.
15. Einrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der organische Elektronen-Akzeptor eine Substanz aus der Gruppe
Tetracyanochinodimethan (TCNQ),
Tetracyanonaphthochinodimethan (TNAP),
Tetracyanoethylen (TCNE),
2,3-Dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzochinon (DDQ),
Hexacyanobutadien (HCBD),
9,9,10,10-Tetracyano-1,4-naphthochinodimethan (bento- TCNQ),
2,5-Bis-(dicyanomethylen)-2,5-dihydrothiophen,
2,5-Bis-(dicyanomethylen)-2,5-dihydroselenol,
Thienyl-TCNQ (T-TCNQ), Selenolyl-TCNQ (Se-TCNQ),
Tetracyano-chino-chinazolin (TCQQ),
Hexacyano-trimethylen-cyclopropan (HCTMCP),
2,4-Bis(dicyanomethylen)-1,3-dithietan (BDDT)
oder eines der folgenden TCNQ-Derivate ist: TCNQ (OMe) TCNQ IMe TCNQ (OMe)₂ TENQ I TCNQ (OMe) (OEt) TCNQ (OMe) (OCH₃)₂ TCNQ (OMe) (O-i-Pr) TCNQ (CN)₂ TCNQ (OMe) (O-i-Bu) TCNQ (Me) TCNQ (O-i-C₂H₅) TCNQ (Et) TCNQ (OEt) (SMe) TCNQ (i-Pr) TCNQ Cl TCNQ (i-Pr)₂ TCNQ Br @ TCNQ ClMe @ TCNQ Br Me
16. Einrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der organische Elektronen-Akzeptor eine Substanz, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Tetracyanochinodimethan (TCNQ) und eines der TCNQ- Derivate
TCNQ (OMe)
TCNQ (OMe)₂
TCNQ (OMe) (OEt)
TCNQ Cl
TCNQ Br
TCNQ ClMe
TCNQ Br Me
TCNQ I Me
TCNQ I
TCNQ (CN)₂
TCNQ (Me)
TCNQ (Et)
TCNQ (i-Pr).
ist.
17. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbe des zweiten Zustandes sehr ähnlich der Farbe der neutralen Moleküle des organischen Elektronen- Akzeptors ist.
18. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrochemische Reaktion irreversibel ist und daß der bestrahlte Bereich dauerhaft in den zweiten Zustand geschaltet ist.
19. Optischer Speicher, gekennzeichnet durch einen Film eines organischen Charge-transfer-Salzes, das durch einen Donor und einen mit ihm komplexierten organischen Elektronen-Akzeptor gebildet wird, wobei der Donor eine organische Substanz ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Tetrathioethylenen, Dithiodiaminoethylenen, Dithiodiselenoethylenen, Tetraminoethylenen, Azenen, aromatischen Kohlenwasserstoffen und aromatischen Heterozyklen ist und chemische Eigenschaften aufweist, die die Bildung eines organischen Salzes, wenn er mit dem organischen Elektronen-Akzeptor komplexiert wird, ermöglicht;
einen optischen Schreibstrahl, um wahlweise zumindest eine von einer Vielzahl von Stellen auf der Oberfläche des organischen Charge-transfer-Salzes zu bestrahlen, um eine bestrahlte Stelle zu veranlassen, eine elektrochemische topotaktische Redox-Reaktion einzugehen, wobei eine Ladungsverschiebung zwischen dem organischen Elektronen-Akzeptor und dem Donor verursacht wird, wodurch die bestrahlte Stelle von einem ersten in einen zweiten Zustand geschaltet wird, wobei der erste Zustand gegenüber dem zweiten Zustand ein verschiedenes optisches Spektrum aufweist; und
eine spektroskopische Vorrichtung, um wahlweise das optische Spektrum von zumindest einer der Vielzahl von Stellen zu analysieren, um zu bestimmen, ob eine analysierte Stelle sich im ersten oder zweiten Zustand befindet.
20. Optischer Speicher nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der organische Elektronen-Akzeptor eine organische Substanz enthält, die zumindest eine funktionelle Cyanomethylen-Gruppe beinhaltet und die chemischen Eigenschaften aufweist, die die Bildung eines organischen Salzes, wenn sie mit dem Donor komplexiert wird, ermöglichen.
21. Optischer Speicher nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der organische Elektronen-Akzeptor eine organische Substanz enthält, die zumindest eine Chinolin- Einheit beinhaltet und die chemischen Eigenschaften aufweist, die die Bildung eines organischen Salzes, wenn sie mit dem Donor komplexiert wird, ermöglichen.
22. Optischer Speicher nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der organische Elektronen-Akzeptor eine Substanz aus der Gruppe
Tetracyanochinodimethan (TCNQ),
Tetracyanonaphthinodimethan (TNAP),
Tetracyanoethylen (TCNE),
2,3-Dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzochinon (DDQ),
Hexacyanobutadien (HCBD),
9,9,10,10-Tetracyano-1,4-naphthochinodimethan (bento- TCNQ),
2,5-Bis-(dicyanomethylen)-2,5-dihydrothiophen,
2,5-Bis-(dicyanomethylen)-2,5-dihydroselenol,
Thienyl-TCNQ (T-TCNQ), Selenolyl-TCNQ (Se-TCNQ),
Tetracyano-chino-chinazolin (TCQQ),
Hexacyano-trimethylen-cyclopropan (HCTMCP),
2,4-Bis(dicyanomethylen)-1,3-dithietan (BDDT)
oder eines der folgenden TCNQ-Derivate ist: TCNQ (OMe) TCNQ IMe TCNQ (OMe)₂ TCNQ I TCNQ (OMe) (OEt) TCNQ (OMe) (OCH₃)₂ TCNQ (OMe) (O-i-Pr) TCNQ (CN)₂ TCNQ (OMe) (O-i-Bu) TCNQ (Me) TCNQ (O-i-C₂H₅) TCNQ (Et) TCNQ (OEt) (SMe) TCNQ (i-Pr) TCNQ Cl TCNQ (i-Pr)₂ TCNQ Br @ TCNQ ClMe @ TCNQ Br Me
23. Optischer Speicher nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der organische Elektronen-Akzeptor eine Substanz, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Tetracyanochinodimethan (TCNQ) und eines der TCNQ- Derivate, abgeleitet durch die Formel: TCNQ (OMe) TCNQ I Me TCNQ (OMe)₂ TCNQ I TCNQ (OMe) (OEt) TCNQ (CN)₂ TCNQ Cl TCNQ (Me) TCNQ Br TCNQ (Et) TCNQ ClMe TCNQ (i-Pr) TCNQ Br Me
ist.
24. Optischer Speicher nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch eine thermische Auslöschvorrichtung derart mit dem organischen Charge-transfer-Salz in Verbindung gebracht, daß eine Stelle, nachdem sie bestrahlt wurde, verursacht wird, vom zweiten Zustand in den ersten Zustand zurückzukehren.
25. Optischer Speicher nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Auslöschvorrichtung einen optischen Heizstrahl aufweist, der so fokussiert ist, daß Wärme auf einem Teil des organischen Salzes erzeugt wird.
26. Optischer Speicher nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Auslöschvorrichtung ein elektrisches Heizelement ist, das Wärme auf einem Teil des organischen Salzes erzeugt.
27. Optischer Speicher nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Schreibstrahl eine solche Intensität aufweist, die dauerhaft die wahlweise bestrahlte Stelle in den zweiten Zustand schaltet.
28. Optischer Speicher nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Schreibstrahl eine erste und eine zweite Intensität aufweist, wobei die erste Intensität eine Reaktion hervorruft, die verursacht, daß die wahlweise bestrahlte Stelle, wenn sie bestrahlt wird, vom ersten Zustand in den zweiten Zustand schaltet, und daß die zweite Intensität eine irreversible Reaktion hervorruft, die verursacht, die Stelle für eine unbestimmte Zeit vom ersten in den zweiten Zustand zu schalten, nachdem der optische Schreibstrahl nicht mehr diese Stelle bestrahlt.
29. Optischer Speicher nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die spektroskopische Vorrichtung einen optischen Lesestrahl aufweist, der wahlweise zumindest eine der Vielzahl der Stellen bestrahlt, wobei der optische Lesestrahl eine Intensität aufweist, die nicht ausreicht, eine durch ihn bestrahlte Stelle in den Schaltzustand zu bringen; und
eine Vorrichtung zum Filtern und Messen des bei wahlweiser Bestrahlung durch den optischen Lesestrahl von einer Stelle reflektierten Spektrallichtes, und zum Bestimmen, ob die Stelle sich im ersten oder im zweiten Zustand befindet.
30. Optischer Speicher nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Lesestrahl monochromatisches Licht ist.
31. Optischer Speicher nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Lesestrahl ein Laser ist.
32. Optischer Speicher nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Schreibstrahl und der optische Lesestrahl durch eine einzige optische Strahlungsquelle bereitgestellt werden, die zumindest zwei Energiestufen aufweist.
33. Optischer Speicher nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung, um den optischen Schreibstrahl auf eine ausgewählte Stelle der Vielzahl der Stellen zu richten.
34. Optischer Speicher nach Anspruch 29, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung, um den optischen Lesestrahl auf eine ausgewählte Stelle der Vielzahl der Stellen zu richten.
35. Optischer Speicher nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Zustand die Speicherung einer logischen "1" und daß der zweite Zustand die Speicherung einer logischen "0" darstellt.
36. Optischer Speicher nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die spektroskopische Vorrichtung das Vorhandensein von neutralen Molekülen des organischen Elektronen-Akzeptors feststellt, wobei der zweite Zustand mehr neutrale Moleküle des Elektronen-Akzeptors vorweist als der erste Zustand.
37. Optischer Speicher nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die spektroskopische Vorrichtung die Amplitude von zumindest einer Spektralbande, die zugehörig zu neutralen Molekülen des organischen Elektronen- Akzeptors ist, mißt, wobei diese zumindest eine Spektralbande im zweiten Zustand eine größere Stärke aufweist als im ersten Zustand.
38. Optischer Speicher nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die spektroskopische Vorrichtung die Änderung im Oxidationszustand des organischen Elektronen- Akzeptors erkennt und dadurch feststellt, ob die Stelle sich im ersten oder zweiten Zustand befindet.
39. Vom Menschen lesbare optische Einrichtung, gekennzeichnet durch einen Film des organischen Charge-transfer- Salzes, das durch einen Donor und einen mit diesem komplexierten Elektronen-Akzeptor gebildet wird, wobei der Donor eine organische Substanz ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Tetrathioethylenen, Dithiodiaminoethylenen, Dithiodiselenoethylenen, Tetraminoethylenen, Azenen und aromatischen Heterozyklen ist und chemische Eigenschaften aufweist, die die Bildung eines organischen Salzes, wenn der mit dem organischen Elektronen-Akzeptor komplexiert wird, ermöglicht; und
einen optischen Schreibstrahl, der eine von einer Vielzahl von Stellen auf der Oberfläche des organischen Charge-transfer-Salzes bestrahlt und eine Intensität und Bestrahlungsdauer aufweist, die ausreichend ist, diese eine der Vielzahl von Stellen zu veranlassen, von einer ersten in eine zweite Farbe zu wechseln.
40. Einrichtung nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Farbe nahezu der Farbe der neutralen Moleküle der organischen Elektronen-Akzeptors ähnelt.
41. Einrichtung nach Anspruch 39, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung, um den optischen Schreibstrahl derart zu lenken und zu modulieren, daß ein sichtbares hochkontrastiges Muster erzeugt werden kann.
42. Einrichtung nach Anspruch 39, gekennzeichnet durch eine thermische Auslöschvorrichtung, derart mit dem organischen Charge-transfer-Salz in Verbindung gebracht, daß zumindest eine der Vielzahl der Stellen verursacht wird, in die erste Farbe zurückzukehren.
43. Optoelektronischer Schalter, gekennzeichnet durch einen Film eines organischen Charge-transfer-Salzes, das durch einen Donor und einen mit ihm komplexierten organischen Elektronen-Akzeptor gebildet wird, und in dem der Donor eine organische Substanz ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Tetrathioethylenen, Dithiodiaminoethylenen, Dithiodiselenoethylenen, Tetraaminoethylen, Azenen und aromatischen Heterozyklen ist und chemische Eigenschaften aufweist, die die Bildung eines organischen Salzes, wenn er mit dem organischen Elektronen-Akzeptor komplexiert wird, ermöglicht, wobei der Film eine elektrochemische topotaktische Redox-Reaktion eingeht, wenn er durch optische Strahlung bestrahlt wird, und dadurch von einem ersten Gleichgewichtszustand in einen zweiten Zustand schaltet, wobei der zweite Zustand gegenüber dem Gleichgewichtszustand eine andere elektrische Impedanz aufweist; und
eine Verbindungsvorrichtung über diesen Film, um diesen Film elektrisch mit einem externen Schaltkreis zu verbinden.
44. Schalter nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsvorrichtung enthält;
ein elektrisch leitendes Substrat, wobei der organische Salz-Film auf dem leitenden Substrat ausgebildet ist;
einen halbdurchlässigen elektrisch leitenden Film, der zumindest über einen Teil des organischen Salz-Films aufgebracht ist, wobei der halbdurchlässige leitende Film den Durchtritt von optischer Strahlung zum organischen Salz-Film ermöglicht;
eine erste Elektrode, verbunden mit dem leitenden Substrat; und
eine zweite Elektrode, verbunden mit dem halbdurchlässigen leitenden Film, wobei die Impedanz zwischen der ersten und der zweiten Elektrode von einem hohen in einen niederen Zustand geschaltet wird, wenn der organische Salz-Film mit optischer Strahlung bestrahlt wird.
45. Schalter nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz zwischen der ersten und zweiten Elektrode zur hohen Impedanz zurückkehrt, wenn die optische Strahlung den organischen Salz-Film nicht mehr bestrahlt.
46. Schalter nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Substrat durch den Donor gebildet wird und daß der organische Charge-transfer-Salzfilm auf dem leitenden Substrat durch Komplexierung des leitenden Substrats mit dem organischen Elektronen- Akzeptor gebildet wird.
47. Schalter nach Anspruch 43 oder 44, dadurch gekennzeichnet, daß der organische Elektronen-Akzeptor eine organische Substanz enthält, die zumindest eine funktionelle Cyanomethylen-Gruppe beinhaltet und die chemischen Eigenschaften aufweist, die die Bildung eines organischen Salzes, wenn sie mit dem Donor komplexiert wird, ermöglichen.
48. Schalter nach Anspruch 43 oder 44, dadurch gekennzeichnet, daß der organische Elektronen-Akzeptor eine organische Substanz enthält, die zumindest eine Chinolin-Einheit beinhaltet und die chemische Eigenschaften aufweist, die die Bildung des organischen Salzes, wenn sie mit dem Donor komplexiert wird, ermöglichen.
49. Schalter nach Anspruch 43 oder 44, dadurch gekennzeichnet, daß der organische Elektronen-Akzeptor eine Substanz aus der Gruppe
Tetracyanochinodimethan (TCNQ),
Tetracyanonaphthachinodimethan (TNAP),
Tetracyanoethylen (TCNE),
2,3-Dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzochinon (DDQ),
Hexacyanobutadien (HCBD),
9,9,10,10-Tetracyano-1,4-naphthochinodimethan (bento- TCNQ),
2,5-Bis-(dicyanomethylen)-2,5-dihydrothiophen,
2,5-Bis-(dicyanomethylen)-2,5-dihydroselenol,
Thienyl-TCNQ (T-TCNQ), Selenolyl-TCNQ (Se-TCNQ),
Tetracyano-chino-chinazolin (TCQQ),
Hexacyano-trimethylen-cyclopropan (HCTMCP),
2,4-Bis(dicyanomethylen)-1,3-dithietan (BDDT)
oder eines der folgenden TCNQ-Derivate ist: TCNQ (OMe) TCNQ IMe TCNQ (OMe)₂ TCNQ I TCNQ (OMe) (OEt) TCNQ (OMe)(OCH₃)₂ TCNQ (OMe) (O-i-Pr) TCNQ (CN) TCNQ (OMe) (O-i-Bu) TCNQ (Me) TCNQ (O-i-C₂H₅) TCNQ (Et) TCNQ (OEt) (SMe) TCNQ (i-Pr) TCNQ Cl TCNQ (i-Pr)₂ TCNQ Br @ TCNQ ClMe @ TCNQ Br Me
50. Schalter nach Anspruch 43 oder 44, dadurch gekennzeichnet, daß der organische Elektronen-Akzeptor eine Substanz, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Tetracyanochinodimethan (TCNQ) und eines der TCNQ-Derivate
TCNQ (OMe)
TCNQ (OMe)₂
TCNQ (OMe) (OEt)
TCNQ Cl
TCNQ Br
TCNQ ClMe
TCNQ Br Me
TCNQ I Me
TCNQ I
TCNQ (CN)₂
TCNQ (Me)
TCNQ (Et)
TCNQ (i-Pr)
ist.
51. Schalter nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, daß der Film im ersten Gleichgewichtszustand eine hohe Impedanz und im zweiten Zustand eine niedere Impedanz aufweist.
52. Schalter nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Schwellwertschalter ist.
53. Schalter nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, daß er ein bistabiler Schalter ist.
54. Schalter nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, daß das organische Charge-transfer-Salz in den zweiten Zustand schaltet, während die optische Intervall-Strahlung einen bestimmten Schwellwert überschreitet.
55. Schalter nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, daß das organische Charge-transfer-Salz in den zweiten Zustand für einen unbestimmten Zeitraum schaltet, nachdem die optische Strahlung, die einen zweiten höheren Schwellwert überschreitet, weggnommen wurde.
56. Schalter nach Anspruch 44, gekennzeichnet durch eine zwischen der ersten und zweiten Elektrode angelegte Gleichstromversorgung.
57. Schalter nach Anspruch 44, gekennzeichnet durch eine Gleichstromvorspannung, angelegt zwischen der ersten und zweiten Elektrode, um die Höhe der Strahlungsintensität anzugleichen, die nötig ist, um das organische Charge-transfer-Salz in den zweiten Zustand zu schalten.
58. Schalter nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, daß die akkumulierende Wirkung der Vorspannung und der optischen Strahlung das orgnaische Charge-transfer-Salz veranlaßt, in Impedanz-Zustände zu schalten.
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