JP5705480B2 - 組成物、光学データ記憶媒体及び光学データ記憶媒体の使用方法 - Google Patents

組成物、光学データ記憶媒体及び光学データ記憶媒体の使用方法 Download PDF

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Description

本発明は、組成物及び光学データ記憶媒体並びに光学データ記憶媒体の使用方法に関する。
一般的に述べれば、逆飽和吸収体(RSA)は、所定の波長で極めて低い線形吸収を有していて、この波長の光のほぼすべてを透過する化合物である。しかし、これら所定の波長で高強度のレーザーパワーに暴露されると、低レベルの線形吸収は、分子が高い吸収断面積を有して同じ波長で高い吸収性を示し、その分子に続く光子を強く吸収させる状態を引き起こすことができる。例えば、多くのRSAは、532nmの波長を有する入射化学線で照射された場合に光励起を受ける。この波長は可視スペクトルの緑色部分にあるので、これらのRSAは通例「緑色」RSAといわれることがある。
最近、ある種のRSAがデータ記憶システムの分野で有用であることが判明した。データの読出し又は書込みが例えばディスクに光を照射することで達成される光学データ記憶は、他の手段(例えば、磁気媒体を読み出すための磁気感受性ヘッド又はビニル樹脂中に記録された媒体を読み出すための針)によって読み出さなければならない媒体に記録されるデータに比べて利点を与える。また、ビニル樹脂媒体中に記憶できるよりも多くのデータを小さい媒体中に光学的に記憶させることができる。さらに、データを読み出すために接触が必要とされないので、光学媒体はビニル樹脂媒体のように反復使用期間中に劣化を生じる恐れが少ない。
光学データ記憶媒体はまた、磁気記憶媒体に比べて複数の利点を与える。例えば、磁気ディスクドライブと異なり、光学データ記憶媒体は、データの保管及びバックアップ、非接続システム間でのコンテンツの共有、並びに事前記録コンテンツの配布のために容易に適するリムーバブル媒体として最も普通に提供されている。リムーバブル磁気媒体(例えば、磁気テープ)も利用可能であるが、かかる媒体中に記憶された情報の寿命は通例10〜12年に限定され、媒体は一般にやや高価であり、データアクセスは遅い。それとは対照的に、光学データ記憶媒体は、リムーバブル記録型媒体及び/又は事前記録媒体の融通性、速いデータアクセス時間、並びに消費者のコンピューター及びエンタテインメントシステムに対して十分に利用可能な媒体及びドライブの丈夫で安価な製造を可能にすることができる。
それでもなお、従来の光学データ記憶媒体は制限を有している。第一に、光学媒体の記憶密度は記録ビットの最小サイズに関する物理的制約によって制限される。光学記憶の別の制限は、データが通常は表面上に位置し又は媒体中にサンドイッチされた1つ又は2つの分離した層中に記憶されることである。情報を深さ方向に記録すれば記憶容量を増加させることができるが、それを行うための方法(即ち、漂白及び光反応)は読出し可能なマークを生み出すために大量の光パワーを要求する。その結果、これら従来の3D記録方法を用いる記録の速度は遅い。さらに、これらの方法で使用される媒体は光エネルギーに対して線形応答を示すのが通例であり、その結果として、データを記録した後に光に対する媒体の感受性を除去して意図されない消去、データ喪失などを排除するために何らかの機構を必要とすることがある。
ホログラフィック記憶は、2つの光ビームの交差によって感光性媒体中に生み出される三次元干渉パターン像であるホログラムとしてデータが表現される光学データ記憶である。さらに詳しくは、ディジタルエンコードされたデータを含む信号ビームと参照ビームとを重ね合わせることで、媒体の体積中に3D干渉パターンが形成され、これが感光性媒体の屈折率を変化または変調させる化学反応を引き起こす。このような変調は、信号からの強度及び位相情報の両方をホログラムとして記録する。ホログラムは後に記憶媒体を参照ビームのみに暴露することで復元することができるが、この参照ビームは記憶されたホログラフィックデータと相互作用してホログラフィック画像を記憶するのに使用した初期信号ビームに比例した再構成信号ビームを生成する。
ホログラフィック記憶に関する初期の試みは、ページ単位アプローチに依存していた。即ち、この場合、ディジタル情報のビットは、ホログラムを記録した必然的に線形の媒体の「スライス」を横切る論理0及び論理1の二次元アレイとして体積ホログラム中にエンコードされる。媒体の比較的大きい体積が使用されたので、ページ単位アプローチを使用するために必要な記録及び読出し装置は複雑で高価なものであり得ると共に、媒体中の読出し又は書込みは温度変動及び振動並びに書込み又は読出し波長又は強度の小さな変動に対して非常に敏感である。
これらの欠点の結果として、ホログラフィックデータ記憶に関する最近の研究はビット単位アプローチに集中している。この場合、情報の各ビット(又は数ビット)を媒体中の微視的体積に局限されたホログラムによって表すことで、読出し光を反射する領域が生み出される。かかる局限体積ホログラフィックマイクロ反射体は、媒体の全体積にわたって複数のデータ層中に配列することができる。かかる配列状態では、層中のデータの読出し及び記録は隣接層を記録/読出し放射に暴露することが避けられない。したがって、単一ビット用途では線形材料がホログラフィックデータ記憶のために役立つことが示されているものの、書込み及び読出し段階中に他のデータ層に影響を及ぼすことなしに多くのデータ層を支持できる媒体が得られればさらに有利であろう。
かかる材料に対する読出し及び書込みのために使用される装置は現在商業的に入手可能であるか、或いは商業的に容易に入手できる読出し及び書込み装置に修正を施すことで容易に得られるので、ビット単位データ記憶アプローチに対処し得る材料が大いに要望されている。さらに、ビット単位アプローチによるホログラフィックデータ記憶は、ページ単位アプローチを用いて記憶されたホログラフィックデータに比べ、温度、波長、強度変動及び振動に対してよく耐える。ホログラム、特にマイクロホログラムの記録に際して最適に有用であるためには、ビット単位データ記憶材料は非線形でなければならず、さらに記録光に応答して少なくとも約0.005〜約0.05の屈折率変化(Δn)を示すことが望ましい。結局、記録光によって材料中に生み出される屈折率変調の大きさが所定のシステム構成に関する回折効率を画定し、これが信号/ノイズ比、ビット誤り率及び達成可能なデータ密度に変換される。
このように、記録光強度に対して非線形(又は「閾値型」)応答を示すことができ、ビット単位ホログラフィックデータ記憶のために適した光学データ記憶媒体に対するニーズが今なお存在している。特に、媒体中に記憶されるホログラムの深さが限定される結果として容量の増加が実現できれば有利であろう。周囲の媒体の屈折率が大きく変化せずかつ様々な深さにおけるホログラム効率の実質的な低下が見られないようにして、かかるデータ記憶媒体への書込みが行われればさらに望ましいであろう。
米国特許第7459263号明細書
三重項励起(Tn;n>1)時に変化を受けることができる反応体、及び約405nmの化学線を吸収して前記反応体への上位三重項−三重項エネルギー伝達を引き起こすことができる1種以上のサブフタロシアニン(サブPC)逆飽和吸収体(RSA)からなる非線形増感剤を含んでなる組成物が提供される。
光学データ記憶媒体が提供される。かかる媒体は、ポリマーマトリックス、三重項励起(Tn;n>1)時に変化を受けることができる反応体、及び約405nmの化学線を吸収して前記反応体への上位三重項−三重項エネルギー伝達を引き起こすことができる1種以上のサブフタロシアニン(サブPC)逆飽和吸収体(RSA)からなる非線形増感剤を含んでなる。
また、光学データ記憶方法も提供される。かかる方法は、増感剤及び反応体を含む光学データ記憶媒体を用意する段階を含んでいる。反応体は三重項励起時に変化を受けることができ、非線形増感剤は1種以上のサブフタロシアニン(サブPC)逆飽和吸収体(RSA)からなり、化学線を吸収して前記反応体への上位三重項−三重項エネルギー伝達を引き起こすことができる。
本発明の上記その他の特徴、態様及び利点は、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読んだ場合に一層よく理解されよう。添付の図面中では、図面全体を通じて類似の部分は同一の符号で表されている。
図1Aは、化学線に対する線形増感剤の応答を示すグラフである。 図1Bは、化学線に対する閾値型増感剤の応答を示すグラフである。 図2は光学データ記憶媒体の断面図であって、媒体が線形増感剤を含む場合における化学線の影響領域及び媒体が閾値型増感剤を含む場合における化学線の影響領域を示している。 図3は、逆飽和吸収を示す増感剤に関する上位三重項Tn励起状態の吸収及び結果として生じるエネルギー伝達を示す模式的エネルギーレベル図である。 図4は、一実施形態に係るサブフタロシアニンRSAの化学構造を示す図である。 図5は、通常のフタロシアニンRSA及び別の実施形態に係るサブフタロシアニンRSAのUV−Visスペクトルである。 図6は、若干の実施形態に従って若干のサブフタロシアニンRSAを製造するために使用される合成経路の略図である。 図7は、若干の実施形態に従ってフェノキシ置換サブフタロシアニンRSAを製造するために使用される合成経路の略図である。 図8Aは、若干の実施形態に係る環置換Cl軸配位子サブフタロシアニンRSAのUV−Visスペクトルである。 図8Bは、若干の実施形態に係るフェノキシ置換サブフタロシアニンのUV−Visスペクトルである。 図8Cは、若干の実施形態に係るトリヨードサブフタロシアニンのUV−Visスペクトルである。 図9Aは、若干の実施形態に係るサブフタロシアニンRSA(3−ブロモフェノキシ[サブフタロシアナト]ホウ素(III)(6b))について求めたZ走査測定値を示すグラフである。 図9Bは、若干の実施形態に係るサブフタロシアニンRSA(4−ブロモフェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III)(6c))について求めたZ走査測定値を示すグラフである。 図9Cは、若干の実施形態に係るサブフタロシアニンRSA(3,5−ジブロモフェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III)(6d))について求めたZ走査測定値を示すグラフである。 図9Dは、若干の実施形態に係るサブフタロシアニンRSA(3−ヨードフェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III)(6e))について求めたZ走査測定値を示すグラフである。 図9Eは、若干の実施形態に係るサブフタロシアニンRSA(4−ヨードフェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III)(6f))について求めたZ走査測定値を示すグラフである。 図10Aは、若干の実施形態に係るサブフタロシアニンRSA(クロロ[サブフタロシアナト]ホウ素(III)(2a))について求めたZ走査測定値を示すグラフである。 図10Bは、若干の実施形態に係るサブフタロシアニンRSA(クロロ[2,9,16−トリヨードサブフタロシアナト]ホウ素(III)(2c))について求めたZ走査測定値を示すグラフである。 図10Cは、若干の実施形態に係るサブフタロシアニンRSA(クロロ[トリニトロサブフタロシアナト]ホウ素(III)(2d))について求めたZ走査測定値を示すグラフである。 図10Dは、若干の実施形態に係るサブフタロシアニンRSA(フェノキシ[2,9,16−トリヨードサブフタロシアニナト]ホウ素(III)(6g))について求めたZ走査測定値を示すグラフである。 図11は、若干の実施形態に係るサブフタロシアニンRSAのk値を強度閾値(Ith)に対して示すグラフである。 図12は、若干の実施形態に係るサブフタロシアニンRSAのk値を線形吸光係数(ε)に対して示すグラフである。 図13は、若干の実施形態に係るサブフタロシアニンRSAの強度閾値(Ith)を線形吸光係数(ε)に対して示すグラフである。 図14は、光学データ記憶媒体の一実施形態に記録されたマイクロホログラムのアレイの反射率を示すグラフである。 図15は、60J/cm2の固定記録フルエンスに関し、光学データ記憶媒体の一実施形態の回折効率を強度の関数として示すグラフである。
特記しない限り、本明細書中で使用される技術的及び科学的用語は、本発明が属する分野の当業者が通常理解するものと同じ意味を有する。本明細書中で使用される「第1」、「第2」などの用語はいかなる順序、数量又は重要度も表すわけではなく、むしろある構成要素を別の構成要素から区別するために使用される。また、冠詞“a”及び“an”は数量の限定を意味するわけではなく、むしろ記載されたものの1以上が存在することを意味する。特記しない限り、「前部」、「後部」、「下部」及び/又は「上部」という用語は記載の便宜のために使用されるものにすぎず、いかなる1つの位置又は空間的配置にも限定されない。範囲が開示される場合、同一の成分又は性質に関するすべての範囲の端点は包含されかつ独立に結合可能である(例えば、「約25wt%以下、さらに詳しくは約5〜約20wt%」という範囲は端点を含むと共に、「約5〜約25wt%」などの範囲内のすべての中間値を含む)。数量に関して使用される「約」という修飾語は記載された値を含むと共に、前後関係から指示される意味を有する(例えば、特定の数量の測定に関連する誤差の程度を含む)。
本明細書中で使用される「回折効率」とは、ホログラムによって反射されるビームパワーの割合をホログラムの位置で入射プローブビームパワーに対して測定した値を意味する一方、「量子効率」とは、吸収された光子が屈折率変化を生み出す化学変化をもたらす確率を意味する。「フルエンス」とは、ビーム横断面の単位面積を横切った光ビームエネルギーの量(例えば、ジュール/cm2単位で測定した値)を意味する一方、「強度」とは光学放射束密度、例えば単位時間にビーム横断面の単位面積を横切るエネルギーの量(例えば、ワット/cm2単位で測定した値)を意味する。
本明細書中には、反応体及び非線形増感剤を含んでなる組成物が提供される。さらに詳しくは、かかる組成物は、三重項励起(Tn;n>1)時に変化を受けることができる反応体、及び1種以上のサブフタロシアニン(サブPC)逆飽和吸収体(RSA)からなる非線形増感剤を含んでいる。非線形増感剤は、入射化学線を(例えば、1以上の光子の形態で)吸収し、次いでエネルギーを反応体分子に伝達して反応体から生成物への分子転位を誘起することができる。本発明の光学データ記憶媒体中に使用される非線形増感剤は、非常に短い寿命(ナノ秒乃至数マイクロ秒)を有する上位三重項状態(Tn、ただしn>1)から反応体にエネルギーを伝達することができる。
若干の実施形態では、本発明の非線形増感剤は2つの光子を通例は逐次に吸収し得る。また、本明細書中に記載される増感剤は、吸収したエネルギーを反応体に伝達した後に元の状態に戻り、この過程を何度も繰り返すことができる。かくして、エネルギーを吸収してそれを1種以上の反応体に放出する能力は時間の経過に伴って低下することがあるものの、増感剤は時間が経過しても実質的に消費されない。これは感光性材料として従来知られている材料とは対照的である。かかる材料は、エネルギー(通例は単一の光子)を吸収できるが、それを他の分子に伝達することはしないで、新しい構造への転換を受けるか、或いは別の分子と反応してその過程で新しい化合物を生成する。
一実施形態では、非線形増感剤は逆飽和吸収(RSA)を示すサブフタロシアニン類からなる。さらに詳しくは、フタロシアニン類をはじめとする多くのRSAが知られており、非線形用途で使用されてきたが、通常のフタロシアニンRSAは、「緑色」レーザー(即ち、約532nmの波長をもった放射を使用するレーザー)と共に使用するのに一層よく適した吸収スペクトル及び非線形光学応答を示すのが通例である。それとは対照的に、本発明のサブフタロシアニンRSAは、532nmに比べて405nmでの吸収に対して実質的な透明度を有するので、「青色」レーザー(即ち、約405nmの波長をもった放射を使用するレーザー)との使用で優れたRSA挙動を示すことができる。通常の「緑色」フタロシアニンRSA及び本発明の一実施形態に係る「青色」サブフタロシアニンRSAに関するUV−Visスペクトルを図5に示す。図示の通り、「青色」サブフタロシアニンRSA(例えば、3−ヨードフェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III))のλmax及び領域は、通常の「緑色」フタロシアニンRSA(例えば、Cu−フタロシアニン)に対して実質的な青色シフトを示している。
望ましくは、サブフタロシアニンRSAは、約405nmの波長の入射化学線によるサブフタロシアニンRSAの光励起時に上位三重項(T2)状態に入り、この上位励起三重項状態(Tn)から隣接する反応体にエネルギーを伝達することができる。サブフタロシアニンは、図4に示すサブPCのように、中心金属としてのホウ素原子及び軸配位子をもった円錐状構造を有する14−π電子芳香族分子である。好適なサブフタロシアニン類の例には、特に限定されないが、クロロ[2,9,16−トリブロモサブフタロシアナト]ホウ素(III)、クロロ[2,9,16−トリヨードサブフタロシアナト]ホウ素(III)、クロロ[トリニトロサブフタロシアナト]ホウ素(III)、クロロ[2,9,16−トリ−tert−ブチル−及びクロロ[2,9,17−トリ−tert−ブチルサブフタロシアナト]ホウ素(III)、フェノキシ[サブフタロシアナト]ホウ素(III)、3−ブロモフェノキシ[サブフタロシアナト]ホウ素(III)、4−ブロモフェノキシ[サブフタロシアナト]ホウ素(III)、3,5−ジブロモフェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III)、3−ヨードフェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III)、4−ヨードフェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III)、フェノキシ[2,9,16−トリヨードサブフタロシアニナト]ホウ素(III)、3−ヨードフェノキシ[2,9,16−トリヨードサブフタロシアニナト]ホウ素(III)及び4−ヨードフェノキシ[2,9,16−トリヨードサブフタロシアニナト]ホウ素(III)がある。記載される光学データ記憶媒体及び方法では、これらの任意のもの並びに約405nmの波長の放射に対して実質的に透明なその他任意のサブフタロシアニンRSAを使用できる。
組成物中に使用される非線形増感剤の量は、入射化学線の波長での光学密度に依存し得る。増感剤の溶解度もまた1つの因子であり得る。一般的に述べれば、増感剤は組成物の総重量を基準にして約0.002〜約5重量%の量で使用できる。
本発明の組成物中に使用される反応体は、三重項励起時に変化を受けることができる。図3を参照すれば、本発明の光学データ記憶媒体中に使用される反応体は、矢印308で示される増感剤のT2状態の三重項エネルギーより低いが、矢印309で示される増感剤のT1状態の三重項エネルギーより高い、矢印307で示される三重項エネルギーを有している。反応体はまた、増感剤の上位三重項状態(T2又はそれ以上)からのエネルギーを受け取り、反応を受けて生成物を生じることもできる。
本明細書中で使用される「変化」という用語は、反応体の任意の間接的な光化学反応(例えば、光二量体化又は異性化)を含むものとする。光二量体化は、電子励起された不飽和分子が構造的に類似及び/又は同一の化学種の非励起分子との付加を受けること(例えば、2つのオレフィンが化合してシクロブタン環構造を形成すること)を含む二分子光化学プロセスである。この反応で生じる共有結合は、一般に光生成物として分類できる新しい成分を生み出す。「間接的」という用語が光二量体化或いは光化学反応又は光反応のような用語と共に使用される場合、反応体は光子の吸収から直接にエネルギーを受け取るのではなく、別の分子(例えば、増感剤又は媒介物)が最初に光子を吸収し、次いでそのエネルギーの一部を反応体に伝達した後に反応体が二量体化を受けることを意味する。
記載される組成物の若干の実施形態で使用するのに適した反応体の例には、特に限定されないが、(i)反応体から生成物への移行に際して要求される体積変化が少なくなるようにして二量体化を受けることができるもの、例えば反応体の直接光励起ではなく、光励起された増感剤から反応体への間接的な「非放射エネルギー伝達」(本発明の場合には三重項−三重項エネルギー伝達)経路によって二量体化プロセスを受ける反応体、(ii)非線形増感剤が二光子プロセスからエネルギーを受け取ってそのエネルギーを第1の反応体に送達し、次いで第1の反応体が第2の反応体と縮合して生成物を生じるもの、(iii)ポリマー主鎖上で誘導体化された場合、材料の利用可能な容量に対応する非常に大きい屈折率変化を与えることができるもの(例えば、反応体の>85%が生成物に転化されれば、約0.08以上のΔnmaxが達成できるもの)、並びに(iv)ポリマー主鎖上で誘導体化された場合、分子間及び分子内縮合反応の両方を受けることでそれの消費を促進し、増感光反応の高い量子効率の結果として10J/cm2未満の入射フルエンスで所望の屈折率変化(Δn)を与えることができ、ひいては例えば組成物を組み込んだデータ記憶媒体中に高い回折効率及び短い記録時間も与えることができるものがある。
当業者には理解される通り、ホログラフィックデータ記憶に関する基本要件は、ホログラム中の個々の干渉縞に関し、周囲の材料に比べて0.005〜0.05程度の屈折率変化(Δn)を生み出し得ることである。しかし、個々の干渉縞の屈折率を測定することは可能でない。屈折率(RI)の測定は、スピンコート試料を偏光解析装置として知られる計器と共に使用しながらバルク材料に関して行うことができる。かくして、まず最初に、これらの用途で使用される反応性材料を試験することで材料が利用し得る正味のΔnを決定した。これは、未反応試料のRIを測定し、次いで85%を超える材料を反応形態に転化し、RIを再測定してΔnを決定することで行った。ホログラフィックデータ記憶におけるホログラムについての重要な特徴は、1ビットの情報を表すのに十分な量の光を反射(回折)して検出器に戻すことである。これは、材料の回折効率(DE)を測定することで判定できる。実験的には、比較的小さい開口数(NA)のレンズを用いて比較的大きいホログラムを書き込むことで、比較的高い回折効率を記録するのが最も容易である。例えば、カップルドウェーブ理論の予測結果に基づけば、所定の大きさの屈折率変調に関しては、DEはホログラム深さの二乗にほぼ比例する。ホログラム深さはNA2にほぼ反比例し、これはDEの総合依存性を約1/NA4にする。かくして、DEはとりわけ反応性材料の応答、使用するレンズのNA、及びホログラムを記録するために使用するフルエンスの関数である。これらのパラメーターはホログラフィックデータ記憶に取り組む実験者によって異なることが多いので、これらの測定値を近似Δnと互いに関係づけることが材料/システムの好ましい比較方法であると一般に認められている。
増感剤のT1状態とT2状態との間の三重項エネルギー状態を有する任意の反応体を使用でき、したがって適当な反応体の選択は所望の増感剤の選択に依存し得る。好適な反応体には、特に限定されないがスチルベン類がある。本明細書中に開示される光学データ記憶媒体中で有用であると予想されるスチルベン類の具体例には、特に限定されないが、トランス−スチルベン、メタ−(又は)パラ−ハロゲン(F、Cl、Br又はI)置換スチルベン、メタ−(又は)パラ−トランス−メチルスチルベン、トランス−[メタ−(又は)パラ−]ニトロスチルベン、トランス−[メタ−(又は)パラ−]シアノスチルベン、トランス−[メタ−(又は)パラ−]メトキシスチルベン、トランス−[3,3’]又は[4,4’]又は[2,4]又は[3,4]−ジメトキシ、ジフルオロ、ジブロモ、ジクロロ、ジヨード置換トランス−スチルベン、トランス−2,4,6−トリメチルスチルベン、トランス−2,2’,4,4’,6,6’−ヘキサメチルスチルベン或いはこれらの組合せがある。
さらに詳しくは、好適な反応体には、(E)−1−メトキシ−4−スチリルベンゼン、(E)−1−フルオロ−4−スチリルベンゼン、(E)−1−クロロ−4−スチリルベンゼン、(E)−1−ブロモ−4−スチリルベンゼン、(E)−1−ヨード−4−スチリルベンゼン、(E)−1−メトキシ−3−スチリルベンゼン、(E)−1−フルオロ−3−スチリルベンゼン、(E)−1−クロロ−3−スチリルベンゼン、(E)−1−ブロモ−3−スチリルベンゼン、(E)−1−ヨード−3−スチリルベンゼン、(E)−1−シアノ−4−スチリルベンゼン又はこれらの組合せがある。
さらに他の好適な反応体には、(E)−1,2−ビス(4−メトキシフェニル)エテン、(E)−1,2−ビス(4−フルオロフェニル)エテン、(E)−1,2−ビス(4−クロロフェニル)エテン、(E)−1,2−ビス(4−ブロモフェニル)エテン、(E)−1,2−ビス(4−ヨードフェニル)エテン、(E)−1,2−ビス(3−メトキシフェニル)エテン、(E)−1,2−ビス(3−フルオロフェニル)エテン、(E)−1,2−ビス(3−クロロフェニル)エテン、(E)−1,2−ビス(3−ブロモフェニル)エテン、(E)−1,2−ビス(3−ヨードフェニル)エテン又はこれらの組合せがある。
さらに他の好適な反応体には、(E)−1−メトキシ−2−(4−メトキシスチリル)ベンゼン、(E)−1−フルオロ−2−(4−フルオロスチリル)ベンゼン、(E)−1−クロロ−2−(4−クロロスチリル)ベンゼン、(E)−1−ブロモ−2−(4−ブロモスチリル)ベンゼン、(E)−1−ヨード−2−(4−ヨードスチリル)ベンゼン、(E)−1−ヨード−2−(4−シアノスチリル)ベンゼン、(E)−1−メトキシ−3−(4−メトキシスチリル)ベンゼン、(E)−1−フルオロ−3−(4−フルオロスチリル)ベンゼン、(E)−1−クロロ−3−(4−クロロスチリル)ベンゼン、(E)−1−ブロモ−3−(4−ブロモスチリル)ベンゼン、(E)−1−ヨード−3−(4−ヨードスチリル)ベンゼン、(E)−1−ヨード−3−(4−シアノスチリル)ベンゼン、(E)−1−メトキシ−2−(3−メトキシスチリル)ベンゼン、(E)−1−フルオロ−2−(3−フルオロスチリル)ベンゼン、(E)−1−クロロ−2−(3−クロロスチリル)ベンゼン、(E)−1−ブロモ−2−(3−ブロモスチリル)ベンゼン、(E)−1−ヨード−2−(3−ヨードスチリル)ベンゼン、(E)−1−ヨード−2−(3−シアノスチリル)ベンゼン又はこれらの組合せがある。
他の実施形態では、反応体は、最近発見されかつ本願と同時に提出された「Optical Data Storage Media and Methods of Using the Same」と題する米国特許出願第12/550521号(出願人整理番号:238407−1)(本明細書中の教示と完全に矛盾しない限り、その開示内容はあらゆる目的のため援用によって本明細書の内容の一部をなす)に開示されているもののような、シンナメート材料及びシンナメート誘導体の1種以上からなり得る。若干の実施形態では、[2+2]間接光二量体化及び間接光重合を受けることができるシンナメート材料が使用できる。これは、405nmにおけるその透明度(無視できるUV吸収)が、シンナメートの線形漂白を最小限に抑え、励起された増感剤からの三重項−三重項エネルギー伝達のみを容易にするからである。若干の実施形態では、シンナメート材料は望ましくはポリビニルシンナメート(PVCm)からなり、ポリビニル主鎖のシンナメート含有量はポリビニルシンナメートの総重量を基準にして約54〜約75wt%の範囲内にある。
ポリビニルシンナメート及びシンナムアミド類似体の例には、特に限定されないが、ポリビニルシンナメート(PVCm)、ポリビニル4−クロロシンナメート(PVClCm)、ポリビニル4−メトキシシンナメート(PVMeOCm)、(2E,2’E)−((1S,2S)−シクロヘキサン−1,2−ジイル)ビス(3−フェニルアクリレート)、(2E,2’E)−((1S,2S)−シクロヘキサン−1,2−ジイル)ビス(4−クロロフェニルアクリレート)、(2E,2’E)−((1S,2S)−シクロヘキサン−1,2−ジイル)ビス(4−メトキシフェニルアクリレート)、(2E,2’E)−N,N’−((1S,2S)−シクロヘキサン−1,2−ジイル)ビス(3−フェニルアクリルアミド)、(2E,2’E)−N,N’−((1S,2S)−シクロヘキサン−1,2−ジイル)ビス(3−(4−クロロフェニル)アクリルアミド)及び(2E,2’E)−N,N’−((1S,2S)−シクロヘキサン−1,2−ジアリール)ビス(3−(4−メトキシフェニル)アクリルアミド)がある。これらを以下に示す。
式中、R=H又はシンナメートであり、
X=H(ポリビニルシンナメート(PVCm))、OMe(ポリビニル4−メトキシシンナメート(PVMeOCm))又はCl(ポリビニル4−クロロシンナメート(PVClCm))である。
式中、X=(パラ)−H:(2E,2’E)−((1S,2S)−シクロヘキサン−1,2−ジイル)ビス(3−フェニルアクリレート)、又は
X=(パラ)−Cl:(2E,2’E)−((1S,2S)−シクロヘキサン−1,2−ジイル)ビス(3−(4−クロロフェニル)アクリレート)、又は
X=(パラ)−MeO:(2E,2’E)−((1S,2S)−シクロヘキサン−1,2−ジイル)ビス(3−(4−メトキシフェニル)アクリレート)である。
式中、X=(パラ)−H:(2E,2’E)−N,N’−((1S,2S)−シクロヘキサン−1,2−ジイル)ビス(3−フェニルアクリルアミド)、又は
X=(パラ)−Cl:(2E,2’E)−N,N’−((1S,2S)−シクロヘキサン−1,2−ジイル)ビス(3−(4−クロロフェニル)アクリルアミド)、又は
X=(パラ)−MeO:(2E,2’E)−N,N’−((1S,2S)−シクロヘキサン−1,2−ジイル)ビス(3−(4−メトキシフェニル)アクリルアミド)である。
効率的な三重項エネルギー伝達を促進するため、反応体は比較的高い濃度で存在するのが普通である。例えば、反応体は組成物の総重量を基準にして約2〜約80重量%の量で組成物中に存在し得る。
任意には、組成物はさらに、増感剤から反応体への上位三重項エネルギー伝達を助けるための媒介物を含むことができる。媒介物の三重項状態(T1m)は、(a)増感剤の三重項状態(Tn;n>1)より低いが増感剤のT1より高く、かつ(b)反応体の三重項状態(T1r)より高いことが望ましく、理想的には約50〜90kcal/molの範囲内にある。
好適な媒介物の例には、特に限定されないが、アセトフェノン(T1≒78kcal/mol)、ジメチルフタレート(T1≒73kcal/mol)、プロピオフェノン(T1≒72.8kcal/mol)、イソブチロフェノン(T1≒71.9kcal/mol)、シクロプロピルフェニルケトン(T1≒71.7kcal/mol)、デオキシベンゾイン(T1≒71.7kcal/mol)、カルバゾール(T1≒69.76kcal/mol)、ジフェニレンオキシド(T1≒69.76kcal/mol)、ジベンゾチオフェン(T1≒69.5kcal/mol)、2−ジベンゾイルベンゼン(T1≒68.57kcal/mol)、ベンゾフェノン(T1≒68kcal/mol)、ポリビニルベンゾフェノン(T1≒68kcal/mol)、1,4−ジアセチルベンゼン(T1≒67.38kcal/mol)、9H−フルオレン(T1≒67kcal/mol)、トリアセチルベンゼン(T1≒65.7kcal/mol)、チオキサントン(T1≒65.2kcal/mol)、ビフェニル(T1≒65kcal/mol)、フェナントレン(T1≒62kcal/mol)、フェナントレン(T1≒61.9kcal/mol)、フラボン(T1≒61.9kcal/mol)、1−ナフトニトリル(T1≒57.2kcal/mol)、ポリ(β−ナフトイルスチレン)(T1≒55.7kcal/mol)、フルオレノン(T1≒55kcal/mol)及びこれらの組合せがある。
使用する場合、媒介物の使用量は、自己失活(即ち、媒介物の2つの三重項が出会って媒介物の一重項状態及び基底状態を生み出すこと)を引き起こすほどに多くすべきでない。媒介物の最適量は個々の増感剤にも依存し得る。かかる考慮事項を念頭に置けば、媒介物の有用な濃度は組成物の総重量を基準にして約1〜約20重量%の範囲内にあり得る。
提供される組成物は、その性質が利益をもたらし得る任意の用途で使用できる。これらの例には、特に限定されないが、光導波路、屈折率分布型レンズ、光学データ記憶媒体及びディジタルホログラフィックイメージングがある。
光導波路は集積光回路の構成部分として使用され、様々な方法で作製できる。1つの方法は、レーザーを用いて感光性材料をパターン化することで、ある屈折率材料の「コア」が異なる屈折率の「クラッディング」材料で包囲されることで光を案内するために役立つ構造を生み出すものである。一般に、これらの感光性材料は線形応答を示し、パターン化レーザーの波長及び屈折率変化を受ける材料の吸収波長は共に導波路中を実際に進行する光の波長から十分に離れた波長であることが要求される。これが必要であるのは、導波されるビームがコア中を進行する光と同一又はほぼ同一であれば、それはクラッディング材料を漂白し始めて導波路を広げ、それを劣化させて使用不可能にするからである。しかし、これらの材料を使用すれば、媒体はパターン化に際してビームの最高強度領域でのみ変化し、閾値効果と相まって、コア領域とクラッディング領域との間に鋭いコントラストを生み出すことができる。また、低い強度を有する類似波長の光はコアに沿って進行でき、クラッディング材料を劣化させない。かくして、本明細書中に記載される組成物を組み込むことで光導波路を改良できる。
屈折率分布型(GRIN)レンズもまた、本明細書中に記載される組成物から形成できる。GRINレンズは、その材料の屈折率が媒体中の空間座標の関数として連続的に変化するレンズである。本発明の組成物を使用すれば、高パワーで動作するレーザーを用いたパターン化によって組成物をGRINレンズに転化することができる。別法として、一定の組成を有するブランクレンズを同様にしてGRINレンズに改変できる。利点は、漂白によりGRINを消去してレンズを破壊する恐れなしに様々な波長の低パワー光ビームと共にレンズを使用できることである。
ディジタルホログラフィックイメージングは、特殊眼鏡の助けなしの可視化(オートステレオスコピー)のために有用な3D画像を生み出す方法である。これらは、様々な角度から見ることができる超高層ビルのある都市のような管理用途及び商業用途のための対話型3Dディスプレイを製造するのに有用である。この場合にも、閾値特性を有する記載の組成物を使用すれば、周囲光中での漂白の問題なしに適切なパターン化が可能となる。
本明細書中にはまた、非線形増感剤、反応体及び任意の媒介物に加えて、さらにポリマーマトリックスを含む光学データ記憶媒体も提供される。光学データ記憶媒体は、望ましくは化学線に対して非線形応答を示す。即ち、閾値より低い入射レーザー光に対しては屈折率の実質的な変化を示さず、閾値より高ければ屈折率の顕著な変化を示す。有利には、かかる媒体への記録は閾値を超えるパワー(又は強度)を有する光を用いてのみ可能であるものの、記録されたデータは閾より低い強度を有する光を用いて繰り返しかつ実質的に非破壊的に読み出すことができる。本発明の光学データ記憶媒体中に記録されるマイクロホログラムは、それを記録するために使用されるビームよりサイズが小さいと予想される。最後に、かかる媒体は約405nmの化学線を吸収して前記反応体への上位を三重項−三重項エネルギー伝達を引き起こすことができる増感剤を含む結果、現行の常用記憶フォーマット(例えば、ブルーレイ)との適合性を有しながら媒体の記憶容量が最適化される。
光学データ記憶媒体は、ポリマーマトリックス中に分散した非線形増感剤及び反応体を含んでいる。非線形増感剤は、入射化学線を(例えば、1以上の光子の形態で)吸収し、次いでエネルギーを反応体分子に伝達して反応体から生成物への分子転位を誘起することができ、ひいては生成物が媒体の屈折率の変調を引き起こす。この変調は、入射化学線からの強度及び位相情報をホログラムとして記録する。線形増感剤とは違って非線形(又は「閾値型」)増感剤を使用することの利点は、図1A、図1B及び図2を参照することで一層よく理解できよう。
さらに詳しくは、図1Aは入射化学線に対する線形感光性材料の応答を示すのに対し、図1Bは入射化学線に対する閾値型材料の応答を示している。図1Aに示されるように、線形感光性材料は記録光のいかなるパワー密度(強度)でも反応を引き起こし、達成される屈折率変化(Δn)の量は材料が受け取る放射エネルギー(フルエンス)が同じであれば同一である。それとは対照的に、閾値型材料は記録光の一定の光強度以上でのみ反応を引き起こす。
その結果として、図2に示されるように、線形感光性材料を含む光学データ記憶媒体200中では、区画201として示されるような化学線が通過する実質的にすべての非アドレス指定体積中でダイナミックレンジの消費が起こる。それとは対照的に、光学データ記憶媒体200が閾値型材料を含む場合には、非アドレス指定体積中でのダイナミックレンジの消費は低減又は排除され、消費は実質的に標的体積(即ち、化学線の焦点202に位置する体積)中のみで起こる。かくして、本発明の光学データ記憶媒体中に閾値型材料を使用することは、以前に記録されたデータ又は以後の記録のために利用し得る空所(vacant space)の隣接層を破壊することなく、媒体の内部に埋め込まれたビット単位データ層中への記録を容易にする。また、細く集束されたレーザービームの光強度は焦点スポットの深さを通して劇的に変化し、通常は(横断面が最も狭くなった)ビームウェストの位置で最大となるので、媒体の閾値応答は当然のこととして材料の転化がビームウェストの直近のみで起こるように制限する。これは各層中のマイクロホログラムのサイズの縮小をもたらして、本発明の媒体の層データ記憶容量の増加を容易にすることができる結果、媒体の総合データ記憶容量も増加させることができる。閾値型材料を含むデータ記憶媒体はまた、周囲光中で実質的に安定である結果、それへの暴露が媒体に実質的な劣化又は損害をもたらさないので有利である。
上述の通り、本発明の組成物及び光学データ記憶媒体中に使用される非線形増感剤は、非常に短い寿命(ナノ秒乃至数マイクロ秒)を有する上位三重項状態(Tn、ただしn>1)から反応体にエネルギーを伝達することができる。Tn状態からエネルギーを伝達する能力は、本明細書中に提供される光学データ記憶媒体に非線形の閾値型特性を付与する。即ち、Tn励起状態の吸収は、増感剤が高強度光(例えば、周囲光より2桁以上高い強度を有する光)で励起された場合にのみ感知でき、低エネルギー放射に暴露された場合には無視できるほどに小さい。これにより、非線形増感剤を含む本発明の光学データ記憶媒体は低強度放射(例えば、読出し光又は周囲光)に対しては実質的に透明かつ不活性に保たれ、焦点又はその近傍における高エネルギーの記録光に応答してその性質(吸光度、したがって屈折率)を変化させるだけである。その結果として、本発明の光学データ記憶媒体はマイクロホログラフィックデータのビット単位記録のために所望され及び/又はそのために必要な閾値挙動を示す。
図3は、逆飽和吸収を示す増感剤に関する上位三重項Tn励起状態の吸収及び結果として生じるエネルギー伝達を示す模式的エネルギーレベル図である。エネルギーレベル図300に示されるように、矢印301は光子が一重項基底状態S0から第1の励起状態S1に遷移する際における光子の基底状態吸収断面積を表している。矢印302で表される系間交差速度は、増感剤が励起一重項状態S1から対応する三重項状態T1に移動する場合に起こるエネルギーの伝達を意味している。矢印303は、励起三重項状態の吸収断面積を表している。続く線形吸収によって上位レベルの三重項状態Tnが達成された後には、2つの上位励起崩壊プロセスが可能である。図3中に矢印304で示される1つの可能な崩壊プロセスは、下方に位置するT1状態への内部変換(IC)による非放射緩和である。別の可能な崩壊プロセスは図3中に矢印305で示され、増感剤からのエネルギー放出及び三重項−三重項エネルギー伝達によるこのエネルギーの反応体への伝達を含んでいる。次いで、反応体は矢印306で示される変化を受け、ホログラフィック回折格子を形成してそこにデータを記録する。
光学データ記憶媒体中に使用される非線形増感剤の量は、ホログラムを記録するために使用する光の波長におけるそれの光学密度に依存し得る。増感剤の溶解度もまた1つの因子であり得る。一般的に述べれば、増感剤は光学データ記憶媒体の総重量を基準にして約0.002〜約5重量%の量で使用できる。
若干の実施形態では、光学データ記憶媒体は高いデータ密度でマイクロホログラムを記録するのに適した屈折率変化(Δn)(例えば、約0.005以上又は約0.05以上、或いはそれ以上の屈折率変化)を示すと予想される。本発明の光学データ記憶媒体によって達成できる屈折率変化/回折効率によれば、本媒体はシングルCD又はシングルDVDと同等なサイズのディスク上に約1TBの情報を記憶できる場合がある。
また、本明細書中に開示される反応体の使用は、通常の反応体に比べて複屈折の顕著な減少をもたらす。最後に、記載した光学記録媒体は、発熱を最小限に抑えると共に、捕獲されたホログラフィックパターンのにじみを生じることがある近隣位置への信号漏れを最小限に抑えながら、高分解能マイクロホログラムを迅速に生み出す能力をもたらす。
ポリマーマトリックス中に光学的性質の大きい変化を生み出すと共に、効率的な三重項エネルギー伝達を促進するため、かかる反応体は比較的高い濃度で存在するのが普通である。例えば、反応体は光学データ記憶媒体の総重量を基準にして約2〜約80重量%の量で光学データ記憶媒体中に存在し得る。
かかる反応体は、ポリマー主鎖上に誘導体化した場合、光学データ記憶媒体中に通常の反応体より高い装填量を与える可能性をもたらし得る。即ち、ポリマー主鎖上に誘導体化した場合における通常の反応体の装填量は約30wt%以下に限定されることがあるのに対し、本明細書中に記載した新規反応体ははるかに高い装填量(即ち、光学データ記憶媒体の総重量を基準にして約90wt%までにも達する装填量)でポリマー主鎖上に装填することができる。
反応体は光学データ記憶媒体のポリマーマトリックスに共有結合させるか、或いは他の方法でポリマーマトリックスに結合させることができる。例えば、シンナメートで官能化されたポリマーをポリマーマトリックスとして使用でき、例えばポリビニルシンナメートが商業的に容易に入手できる。この場合、光学データ記憶媒体は高い装填量(例えば、光学データ記憶媒体の総重量を基準にして約90%までの装填量)の反応体を含み得る。
使用する場合、任意所望の媒介物をポリマーマトリックスに共有結合させるか、或いは他の方法でポリマーマトリックスに結合させることができる。このようにして媒介物をポリマーマトリックス中に組み込めば、高濃度の媒介物を使用することができ、ひいてはデータ記憶媒体の記録効率を高めることができる。
所望の増感剤及び反応体並びに任意の光安定剤及び媒介物は、ポリマーマトリックス中に実質的に一様に分散させるか、或いは光学データ記憶媒体中におけるビット単位のデータ記録が容易になるような任意の方法で分散させることができる。ポリマーマトリックスは、線状、枝分れ又は架橋ポリマー或いはコポリマーを含み得る。増感剤及び反応体をその中に実質的に一様に分散させることができる限り、任意のポリマーが使用できる。さらに、使用するポリマーは上位三重項エネルギー伝達プロセスを実質的に妨害しないことが望ましい。ポリマーマトリックスは、光学的に透明であるか、或いは少なくとも光学データ記憶媒体の記録及び読出しのために想定される波長で高い透明度を有するポリマーを含むことが望ましくあり得る。
ポリマーマトリックス中で使用するのに適したポリマーの特定の例には、特に限定されないが、ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)のようなポリ(アルキルメタクリレート)、ポリビニルアルコール、ポリ(アルキルアクリレート)、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリアクリレート、ポリ(塩化ビニリデン)、ポリ(酢酸ビニル)などがある。
ポリマーマトリックスはまた、ジブチルフタレート、ジブチルセバケート又はジ(2−エチルヘキシル)アジペートのような可塑剤を含むことができる。可塑剤は、分子運動を容易にすることで記録効率を高めることができる。典型的な可塑剤レベルは、記憶媒体の総重量を基準にして約1〜約20重量%又は約2〜約10重量%の範囲内にあり得る。
本明細書中に記載される光学データ記憶媒体は自立形態を有し得る。或いは、データ記憶媒体は、ポリメチル(メタクリレート)(PMMA)、ポリカーボネート、ポリ(エチレンテレフタレート)、ポリ(エチレンナフタレート)、ポリスチレン又は酢酸セルロースのような支持材上に被覆することもできる。支持材の使用が所望されることがある実施形態では、ガラス、石英又はシリコンのような無機支持材を使用することもできる。
かかる実施形態では、支持材への光学データ記憶媒体の密着性を向上させるために支持材の表面を処理することができる。例えば、光学データ記憶媒体の適用に先立ち、支持材の表面をコロナ放電によって処理することができる。別法として、記憶媒体の密着性を高めるため、ハロゲン化フェノール又は部分加水分解塩化ビニル−酢酸ビニルコポリマーのような下塗り塗料を支持材に適用することもできる。
一般的に述べれば、本明細書中に記載される光学データ記憶媒体は、所望の増感剤、反応体、媒介物(所望される場合)及びポリマーマトリックスをブレンドすることで製造できる。これらの比率は広範囲にわたって変化することができ、最適比率及びブレンディング方法は当業者であれば容易に決定できる。例えば、増感剤は光学データ記憶媒体の総重量を基準にして約0.01〜約90重量%の濃度で存在することができ、反応体は約2〜約80重量%、さらには約90重量%までの濃度で存在できる。
実施例1
実施例1.サブフタロシアニン類(サブPC)の合成
出発化学薬品:4−ニトロフタロニトリル及びtert−ブチルフタロニトリル(TCI社から購入)、NaNO2、1−クロロナフタレン、KI、KBr、CH2Cl2中BCl3、キシレン中BCl3、3−ヨードフェノール、4−ヨードフェノール、3−ブロモフェノール、4−ブロモフェノール、3,5−ジブロモフェノール及び10%Pd/C(すべてAldrich社から購入)を受け入れたままで使用した。
405nmに吸収極小を有するサブPCを製造するため、図6に示す複数の合成経路を採用した。図4に示す母体非置換化合物2aは商業的に入手可能であった。環ハロゲン化サブPCは4−ニトロフタロニトリル(図6中の3)から出発し、やはり図6に示す経路Aに従った。アミンへの水素化、次いでゾアゾ化及びそれに続くハロゲン化物との反応により、所望の4−ハロフタロニトリルである4−ブロモフタロニトリル及び4−ヨードフタロニトリルを生成した。1−クロロナフタレン中において240℃でホウ素をテンプレートとするサブPC合成を行うことで、図6中に示すサブPC2b及び2cの製造を完了した。ニトロ及びt−ブチル誘導体(2d、2e)は、経路Bによってそれぞれ容易に入手できる4−ニトロフタロニトリル5d及び4−t−ブチルフタロニトリル5eから直接に製造したが、これらのすべてがやはり図6に示されている。
ホウ素軸配位子をフェノキシド誘導体で置換するために使用した別の合成経路を図7に示す。さらに詳しくは、図示の通り、フェノキシド誘導体によるホウ素軸配位子の置換は、対応するフェノールを所要のサブPCと共にトルエン中で還流することで行った。これらは容易な反応であって、50〜95%の収率を与えた。
1H及び13C NMRスペクトルは、Bruker 400MHz分光光度計上で得た。UV−VisスペクトルはCary 300走査分光計上で記録した。
4−アミノフタロニトリル(4)。圧力反応器内で4−ニトロフタロニトリル(、60.0g、0.346mol)を190プルーフEtOH(528g)に溶解し、それに10%Pd/C(5.59g)を添加し、次いで30℃に加熱し、H2で60psiに加圧した。3時間後、ガス消費が終わった。反応混合物をN2でパージし、Celite(登録商標)で濾過し、濃縮することで、39.5g(80%)の生成物を淡褐色の粉末として得た。これをそれ以上精製せずに次の段階で使用した。1H NMR(DMSO−d6)δ:7.63(d,J=8.8Hz,1H);7.02(d,J=2.0Hz,1H);6.87(dd,J=8.5,2.0Hz,1H);6.71(s,2H)。13C{1H}NMR(DMSO−d6):153.5,135.4,118.0,117.7,117.4,116.9,116.0,98.2ppm。mp 174−176℃。
4−ブロモフタロニトリル(5b)。−10℃に冷却した100mlのHBr(48%)と100mlのH2Oとの撹拌溶液中に、化合物(24g、0.17mol)を懸濁した。亜硝酸ナトリウム(14g、0.20mol)を氷水に溶解し、4−アミノフタロニトリルの溶液に滴下した。発熱反応を注意深くモニターし、0℃以下に保った。2時間の撹拌後、Cu(I)Br(27g、0.18mol)を100mlのHBr(48%)に溶解した−3℃の溶液に上記溶液を滴下し、0℃で2時間撹拌した。泡立ちを最小にすると共に収率を増加させるため、塩化メチレンを溶液に添加し、反応を24時間以上にわたって夜通し進行させた。有機層を除去し、水性層もトルエンで抽出した。合わせた有機層を水、Na223(飽和水溶液)、水、ブライン、水で洗浄し、MgSO4上で乾燥し、減圧下で蒸発させた。オレンジ色の生成物25g(73%)を集めた。1H NMR(CDCl3)δ:7.99(d,1H),7.94−7.91(dd,1H),7.72−7.70(d,1H)613C{1H}NMR(CDCl3)136.68,136.42,134.44,128.19,117.39,114.76,114.65,114.04ppm。
4−ヨードフタロニトリル(5c)。2.5M H2SO4(350mL)中の4−アミノフタロニトリル(、25.5g、0.178mol)懸濁液をN2下で−3℃に冷却し、次いでポット温度を0℃未満に保つようにして水(50mL)中のNaNO2(13.8g、0.203mol)溶液をゆっくりと添加した。撹拌を2時間続けた。次いで、オレンジ色の混合物を濾過して固形分を除去し、濾液を低温(約0℃)に保った。冷却したオレンジ色の濾液を、水(200mL)中にKI(31.5g、0.190mol)を溶解した冷却(約2℃)溶液に添加した。直ちに黒色の沈殿が生じた。15分間かけて添加を続け、次いで混合をさらに15分間続けた。氷浴を取り除き、混合物を1時間撹拌した。次いで、固体を濾過によって集め、水(2×50mL)で洗浄し、トルエン(250mL)に溶解し、水(200mL)、飽和NaHCO3(200mL)、水(200mL)、飽和チオ硫酸ナトリウム溶液(100mL)、水(200mL)で洗浄し、次いでMgSO4上で乾燥し、濾過し、ストリッピングすることで、21.9g(48%)の生成物を得た。1H NMR(CDCl3)δ:8.18(d,J=1.5Hz,1H);8.12(dd,J=8.1,1.5Hz,1H);7.55(d,J=8.4Hz,1H)。13C{1H}NMR(CDCl3):142.5,142.0,134.0,116.96,115.03,115.00,113.91,99.80ppm。mp 140−143℃。
クロロ[2,9,16−トリブロモサブフタロシアニナト]ホウ素(III)(2b)。1−クロロナフタレン(6mL、44mmol)に溶解した4−ブロモフタロニトリル(5.0g、24mmol)の溶液を−78℃に冷却した。塩化メチレン(25mL、25mmol)中の1M BCl3溶液を凍結混合物に添加した。両者が凍結するので、温度をN2下で240℃に上昇させた。反応を35分間進行させ、次いで室温まで放冷し、一晩撹拌した。粘稠な混合物が生じた。クロロホルムを添加し、次いで溶媒を減圧(3mmHg)下140℃で24時間蒸発させた。ジクロロメタンを用いてソックスレー抽出を実施し、溶媒を再び蒸発させた。固体を最小量のクロロホルム(10ml)に溶解し、次いでヘキサン(150ml)でトリチュレートし、溶媒をデカントした。このプロセスを2回繰り返したところ、精製された生成物が得られた。0.34g(5.8%)を回収した。1H NMR(CDCl3)δ:9.06(s,3H),8.76(dd,3H),8.10(d,3H)。UV(λmax,ε)=568nm;21,393。
クロロ[2,9,16−トリヨードサブフタロシアニナト]ホウ素(III)(2c)。N2下にある1−クロロナフタレン(15mL)中の4−ヨードフタロニトリル(5b,4.8g、23.0mmol)スラリーを、CH2Cl2(23.2mL、1.0M)中のBCl3で処理した。その間に温度は周囲温度から35℃に上昇した。混合物を加熱してCH2Cl2を除去し(このプロセスを促進するためにわずかな真空を加えた)、次いで加熱マントル内で3時間かけて220℃に加熱し、さらに2時間加熱した。暗色の混合物を冷却し、ヘキサン(300mL)で処理し、沈殿した固体を集め、ヘキサン(4×50mL)で処理し、乾燥して粗生成物(6.8g)を得た。この粗生成物をCHCl3(約10mL)に再溶解し、ヘキサン中にゆっくりと沈殿させた。固体を集め、乾燥して1.61g(26%)の生成物を得た。1H NMR(CDCl3)δ:9.26(s,3H);8.59(dd,J=8.3,1.7Hz,3H);8.26(d,J=8.3Hz,3H)3d。UV(λmax,ε)=572nm;114,637。
クロロ[トリニトロサブフタロシアニナト]ホウ素(III)(2d)。30mLのキシレン(異性体混合物)中の3−ニトロ−1,6−ジシアノベンゼン(5g)混合物にBCl3溶液(キシレン中1M)を添加した。混合物を加熱マントル内で1時間撹拌することでゆっくりと120℃に加熱し、次いで冷却して室温に戻した。暗青色の粗混合物をソックスレー抽出器内においてトルエンで2時間抽出した。シンブルスチル(thimble still)内に単離した生成物は不純に見えたので、カラムクロマトグラフィー(EtOAc:ヘキサン=5:95)を用いて生成物を精製した。主異性体(文献中では、このサブPC誘導体はC1及びC3対称性を3:1の統計的分布で有する2種の構造異性体の混合物であると示されている)の精製後、EtOAc/ヘキサン(3:7)による分別結晶及びそれに続く吸引濾過によって主異性体を単離した。1H NMR(CDCl3)δ:9.8(m,3H);9.1(m,3H);8.9(m,3H)3d。UV(λmax,ε)=567nm,34,000。
クロロ[2,9,16−トリ−tert−ブチル−及びクロロ[2,9,16−トリ−tert−ブチルサブフタロシアニナト]ホウ素(III)(2e)。クロロナフタレン(6g)中のtert−ブチルフタロニトリル(5.53g、30mmol)溶液を−3℃に冷却し、N2下で10分間激しく撹拌した。三塩化ホウ素(塩化メチレン中1M)(17ml、17mmol)を注射器によって滴下した。すべてのガスが消散するまで、発熱反応を5℃未満に保った。次いで、反応フラスコを室温から240℃に加熱し、この温度に30分間維持した後、放射冷却によって溶液を室温に戻した。回転蒸発により、溶媒を減圧下で蒸発させた。ジエチルエーテルを用いるソックスレー抽出、次いでヘキサン/酢酸エステル(7:3)を用いるシリカゲル(200〜400、60Å)上での重力カラムクロマトグラフィーによって粗混合物を精製した。画分4(Rf=0.84)が所望の生成物を含み、365nmの紫外線下でピンク色のスポットとして現れた。1H NMR(CDCl3)δ:8.95(d,3H);8.83−8.81(t,3H);8.05−8.03(d,3H);1.58(s,27H)3d。UV(λmax,ε)=570nm;37,347。
フェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III)(6a)。クロロ[サブフタロシアナト]ホウ素(III)(2a)(0.50g、1.2mmol)及びフェノール(0.57g、6.1mmol)を6mLのトルエン中で合わせ、撹拌し、48時間還流した。溶液を冷却した後、それをさらにトルエンで希釈し、10%KOH、水、10%KOH、水で洗浄し、次いで有機層をMgSO4上で乾燥し、回転蒸発により減圧下95℃で2時間蒸発させ、所望の生成物を88%収率(0.50g)で単離した。1H NMR(CDCl3)δ:8.89−8.85(m,6H),7.95−7.90(m,6H),6.79−6.75(t,2H),6.66−6.64(t,2H),5.42−5.40(d,1H)。UV(λmax,ε)=565nm;87,759。
3−ブロモフェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III)(6b)。クロロ[サブフタロシアナト]ホウ素(III)(2a)(0.50g、1.2mmol)を100mlの一つ口丸底フラスコ内で3−ブロモフェノール(1.0g、5.8mmol)と合わせた。トルエン(4ml)を添加し、内容物を48時間還流した。溶液をトルエンに溶解し、10%KOH、水で洗浄し、MgSO4上で乾燥した。蒸発後、0.60g(91%)を単離した。1H NMR(CDCl3)δ:8.91−8.88(m,6H),7.94−7.93(m,6H),6.76(d,1H),6.66−6.62(t,1H),5.66−5.65(t,1H),5.27−5.24(dd,1H)。13C{1H}(CDCl3)153.6,151.4,130.94,130.91,12.9,124.6,122.7,122.3,121.9,117.3ppm。UV(λmax,ε)=566nm;78,895。
4−ブロモフェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III)(6c)。クロロ[サブフタロシアナト]ホウ素(III)(2a)(0.50g、1.2mmol)を50mlの一つ口丸底フラスコ内で5mlのトルエンに溶解した。4−ブロモフェノール(1.0g、5.8mmol)をフラスコに加え、溶液を還流した。48時間後、溶液を冷却し、40mlのCHCl3で抽出し、10%KOH(20ml)、水、10%KOH、水で洗浄し、MgSO4上で乾燥し、中多孔度のフリット漏斗で濾過した。溶媒の蒸発により、0.44g(68%)の紫色固体を得た。
1H NMR(CDCl3)δ:8.89−8.86(m,6H),7.94−7.92(m,6H),6.87−6.85(d,2H),5.31−5.29(d,2H)。13C{1H}NMR(CDCl3)151.73,151.32,131.83,130.93,129.96,122.27,120.94,114.05ppm。UV(λmax,ε)=565nm;53,562。
3,5−ジブロモフェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III)(6d)。クロロ[サブフタロシアナト]ホウ素(III)(2.1g、6.17mmol)及び3,5−ジブロモフェノール(3g、0.015mmol)の混合物をN2下においてトルエン(150mL)中で3日間還流し、次いで冷却し、残留物を蒸発させ、10%KOH(50ml)、水(50ml)、ブライン(50ml)で洗浄し、CHCl3で抽出し、MgSO4上で乾燥し、濃縮し、ヘキサンでスラリー化して生成物を沈殿させ、この沈殿を単離して乾燥することで1.82gの生成物を得た。1H NMR(CDCl3)δ:8.9(m,6H);7.9(m,6H);6.9(s,1H);5.5(s,2H)。UV(λmax,ε)=562nm,84,767。
3−ヨードフェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III)(6e)。クロロ[サブフタロシアナト]ホウ素(III)(0.515g、1.5mmol)及び3−ヨードフェノール(0.660g、3.78mmol)の混合物をN2下においてトルエン(15mL)中で48時間還流し、次いで冷却し、残留物を蒸発させ、10%KOH(50ml)、水(50ml)、ブライン(50ml)で洗浄し、CHCl3で抽出し、MgSO4上で乾燥し、濃縮し、ヘキサンでスラリー化して生成物を沈殿させ、この沈殿を単離して乾燥することで490mgの生成物を得た。1H NMR(CDCl3)δ:8.9(m,6H);7.9(m,6H);6.9(d,1H);6.5(t,1H);5.85(t,1H);5.75(m,1H);5.28(dd,1H)。UV(λmax,ε)=563nm,69,504。
4−ヨードフェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III)(6f)。クロロ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III)(2a)(0.52g、1.2mmol)を一つ口丸底フラスコ内で4−ヨードフェノール(1.3g、6.1mmol)と合わせた。4mlのトルエンを添加し、内容物を24時間還流した。溶液をトルエンに溶解した後、それを追加のトルエンに溶解し、10%KOH、水、10%KOH、水で洗浄し、MgSO4上で乾燥した。溶媒を蒸発させた後、0.71g(95%)の生成物を回収した。1H NMR(CDCl3)δ:8.89−8.87(m,6H),7.96−7.93(m,6H),7.06−7.03(dd,2H),5.19−5.17(dd,2H)。13C{1H}NMR(CDCl3):152.5,151.3,137.8,130.9,130.0,122.3,121.5,84.4ppm。UV(λmax,ε)=565nm;82,461。
フェノキシ[2,9,16−トリヨードサブフタロシアニナト]ホウ素(III)(6g)。クロロ[2,9,16−トリヨードサブフタロシアニナト]ホウ素(III)(0.52g、0.64mmol)及びフェノール(0.30g、3.2mmol)の混合物をN2下においてトルエン(6mL)中で18時間還流し、次いで冷却し、残留物を4:1 MeOH/水(2×50mL)で洗浄し、トルエンに再溶解し、Chromatotron(商標)シリカゲルプレート上でのクロマトグラフィー分離に供した。粗生成物を再単離し、CHCl3に溶解し、水(3×100mL)で洗浄し、Na2SO4で乾燥し、濃縮することで、280mg(51%)の純生成物を金属光沢のある紫色固体として得た。1H NMR(CDCl3)δ:9.21(s,3H);8.56(dm,J=8.4,3H);8.22(d,J=8.4Hz,3H);6.78(t,J=7.8Hz,2H);6.67(t,J=7.1Hz,1H);5.38(d,J=7.6Hz,2H)3c。UV(λmax,ε)=572nm;114,311。
3−ヨードフェノキシ[2,9,16−トリヨードサブフタロシアニナト]ホウ素(III)(6h)。クロロ[2,9,16−トリヨードサブフタロシアニナト]ホウ素(III)(0.62g、0.77mmol)及び3−ヨードフェノール(0.68g、3.1mmol)の混合物をN2下においてトルエン(15mL)中で20時間還流し、次いで冷却し、残留物を4:1 MeOH/水(2×40mL)、10%KOH(50mL)、水(50mL)、ブライン(50mL)、4:1 MeOH/水(50mL)、ブラインで洗浄し、Na2SO4上で乾燥し、濃縮し、ヘキサンでスラリー化して生成物を沈殿させ、この沈殿を単離して乾燥することで680mg(89%)の生成物を得た。1H NMR(CDCl3)δ:9.13(d,J=13.4Hz,3H);8.57(dt,J=8.6,1.8Hz,3H);8.30(m,3H);7.00(d,J=7.8Hz,1H);6.59(t,J=7.8Hz,1H);5.75(m,1H);5.33(dd,J=8.1,1.5Hz,1H)。UV(λmax,ε)=571nm;103,000。
4−ヨードフェノキシ[2,9,16−トリヨードサブフタロシアニナト]ホウ素(III)(6i)。クロロ[2,9,16−トリヨードサブフタロシアニナト]ホウ素(III)(0.62g、0.77mmol)及び4−ヨードフェノール(0.68g、3.1mmol)の混合物をN2下においてトルエン(6mL)中で18時間還流し、次いで冷却し、残留物を4:1 MeOH/水(2×50mL)、10%KOH(50mL)、4:1 MeOH/水(50mL)で洗浄し、乾燥し、濃縮し、CHCl3に再溶解し、ヘキサンでトリチュレートして生成物を沈殿させ、この沈殿を単離して乾燥することで400mg(60%)の生成物を得た。1H NMR(CDCl3)δ:9.13(d,J=12.6Hz,3H);8.57(t,J=7.6,3H);8.31(m,3H);7.10(d,J=7.6Hz,2H);5.20(d,J=7.6Hz,2H)。UV(λmax,ε)=572nm;141,429。
実施例2
実施例2.線形光学測定
上述の通り、青色サブPC RSA染料に関しては405nmで最小の吸収が要求される。実施例1に従って製造したサブフタロシアニンRSAのUV−Visスペクトルを測定し、一連のサブPCのUV−Visスペクトルを図8A〜8Cに示す。すべての測定は濃縮試料に関してCHCl3中で約5mg/50mL乃至約5mg/5mLで実施し、プロットは5吸光度単位に基準化した。
Cl軸配位子を含む染料を図8Aに示す。図からわかる通り、すべての化合物は同一の基本プロファイルを示しており、約565nmにλmaxを有すると共に、400〜450nmの範囲にほぼ透明な窓を有している。挿入プロット中に微妙な差異を見ることができる。ニトロ置換RSA染料であるクロロ[トリニトロサブフタロシアナト]ホウ素(III)(2d)は、不要の線形吸光度として現れる小さいが顕著なピークを約410nmに示している。図8Aからは、非置換サブPCであるフェノキシ[サブフタロシアナト]ホウ素(III)(2a)が405nmで最低の吸収を有するように思われる。
環は非置換のままで、Cl軸配位子をフェノキシ基で置換した場合、スペクトルの劇的なシフトはほとんど存在しない(図8B)。実際、フェノキシ配位子をハロゲン化物で置き換えても、405nmには低い吸収が得られる。
合成したサブフタロシアニンRSA染料の最後の組は、環ヨウ素化材料である(図8C)。これらの化合物に関する軸配位子の変化は、吸収スペクトル中に小さな変化をもたらした。この場合にも、405nmでの透明度からは、単純なフェノキシ置換ヨードサブPCが最も望ましい。この実施例からのデータを下記表1にまとめて示す。
実施例3
実施例3.非線形光学測定
非線形光学吸収実験を用いてサブPCの非線形性を判定した。測定は、405nmの波長で動作する5nsパルスの同調可能レーザーシステムを用いて行った。Z走査は、物質吸光度の非線形性を評価するための常用非線形光学技法の1つであり、文献(例えば、“Nonlinear Optics of Organic Molecules and Polymers”,Edited by H.S.Nalwa and S.Miyata,CRC Press,1997)中に記載されている。簡単に述べれば、Z走査は、集束レーザービームを通して試料を移動させて試料上の光強度を変化させ、試料の透過率の変化を位置の関数として測定する技法である。別法として、試料を可変パワーの集束パルスレーザービームに暴露し、レーザー波長での透過率を入射放射の光強度(光束)の関数として直接に測定することもできる。いずれのアプローチも入射光強度に対する染料の透過率の依存性をもたらし、これが染料の非線形光学応答をなす。
次いで、これらの依存性を分析することで、サブPCの挙動を特徴づける2つのパラメーターを求めた。これらのパラメーターは、閾値強度(Ith)(即ち、非線形応答が「オンになる」エネルギー束)及び「k値」(即ち、高強度吸収断面積と低強度吸収断面積との間の達成可能な比を記述するエンハンスメントファクター)である。これらのパラメーターは、染料特性を利用し得る光パワーの範囲及び逆飽和吸収プロセスの効率の程度を画定する。目標は、閾値を最小にしかつk値を最大にすることである。
染料濃度は、0.8〜0.9付近の透過率を達成するように選択した。高沸点溶媒o−ジクロロベンゼンを溶媒として使用し、サブPCと混合した後、溶液を濾過し、Z走査測定用の1mmキュベット内に入れた。o−ジクロロベンゼンを使用したのは、高レーザーパワーへの暴露時に液体を沸騰させる可能性を低下させるためであった。
図9A〜9Eは、様々なレーザー強度において、3−ブロモフェノキシ[サブフタロシアナト]ホウ素(III)(a)、4−ブロモフェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III)(b)、3,5−ジブロモフェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III)(c)、3−ヨードフェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III)(d)及び4−ヨードフェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III)(e)のサブPCに関する基準化透過率対パルスエネルギーデータを示している。これらのデータは、Z位置に対する基準化透過率の依存性から求めた。図示の通り、これらのフェノキシ置換サブPCのすべてが中域のk値を示し、中程度の非線形光学挙動を表している。やはりこれらのグラフからわかる通り、低いパルスエネルギーでは、非常に低いレベルのビームが吸収され、大部分の光は試料によって透過される。しかし、パルスエネルギーが増加するに従い、より多くの光が吸収され、透過される光の量は少なくなり、染料の非線形効果が示される。RSA挙動を示さない化合物は、高いパルスエネルギーで透過光の低下を示さない。各プロット中の複数の線は、同じ個々の化合物に関する複数の実験を表している。
図10A〜10Dは、2a(a)、2c(b)、2d(c)及び6g(d)染料に関する基準化透過率対パルスエネルギーデータを示している。この組のRSA染料は、軸クロロ化サブPCに関して小さいk値を示した。単純な非置換誘導体2aに関しては、22という大きい値が見られた。
Z走査測定から得られたデータを表2にまとめて示す。
表2に示される通り、閾値(Ith)は1桁の大きさの幅にわたっている。即ち、ニトロ誘導体2dが75MW/cm2の閾値エネルギーを示す一方、ハロフェノキシ置換サブPCは340〜930MW/cm2の範囲内のずっと高い値を有することが判明した。Z走査実験で見出されたモル吸光係数は、UV−Vis測定で見出されたもの(表1)とほぼ同じである。2つの方法の間には多少の偏差が予想された。
図11は、表2からのすべての染料に関し、強度閾値に対するk値の依存性を示している。調査したすべての染料がRSA特性を示した。しかし図11は、低いk値を有する染料が低い閾値強度を有し、高いk値を有する染料が高い閾値強度を有することも示している。高いk値及び低い閾値強度を有する青色RSAであれば、低強度レーザーを用いてマイクロホログラムを書き込むことができ、かかる用途を目的とする光学データ記憶媒体の実施形態で使用できよう。
示されたデータの別の表現を図12に示すが、これはk値と405nmでの線形吸光係数との相関関係を表している。明らかに、低い線形吸収を有する材料は高い強度で強い非線形吸収増強も示している。
データの最後の表現を図13(閾値強度対吸光係数)に示す。母体サブPC(2a)及び3,5−ジブロモ誘導体(6d)を除けば、最低の閾値強度を有する材料は高い吸光係数も有していた。
実施例1〜2及びそれから得られたデータを考え合わせれば、合成した各種のサブフタロシアニン染料(サブPC)の多くが、Z走査測定によって判定した場合に青色RSA染料として機能し得ることが示される。したがって、これらの材料はマイクロホログラム記録のためのエネルギー伝達アプローチ又は相変化アプローチにおいて使用できる。
実施例3〜5 マイクロホログラム記録
試料の調製
マイクロホログラムを実証すると共に、マイクロホログラムを書き込んだ後の反射率を記録するための薄膜試料を以下のようにして調製した。
実施例3
サブフタロシアニン/スチルベン/PMMA。ジクロロエタン/塩化メチレン溶媒混合物(15g、2:8 v/v)を溶媒として用いて、トランス−スチルベン(80mg)を含むPMMA(0.870g)と1.3wt%の3IPhOSubPc(3−ヨードフェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III))との溶液を調製する。0.45μmフィルターを用いて溶液を濾過し、ガラスプレートセットアップのガラスリム(直径5cm)上に注ぎ、約45℃に5時間及び約75℃に一晩保ったホットプレート上で乾燥する。ホットプレート上での乾燥後、フィルムをガラスプレートから除去し、60℃で6時間真空乾燥する。
実施例4
サブフタロシアニン/ポリビニルシンナメート(PVCm)。68wt%のシンナメートを含むPVCm(MW:100000)1gを1:1ジクロロエタン/塩化メチレンに溶解した。1.3wt%のdiBrSubPc(3,5−ジブロモフェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III))を添加し、70℃に保ったホットプレート上での加熱を行いながら材料を撹拌機で溶解した。次いで、0.450mmシリンジフィルターを用いて溶液を濾過し、濾過した溶液をガラスプレートセットアップのガラスリム(直径5cm)中に注ぎ、45℃に12時間及び75℃に一晩保ったホットプレート上で乾燥した。ホットプレート上での乾燥後、フィルムをガラスプレートから除去し、真空中において70℃で6時間乾燥した。
実施例5
サブフタロシアニン/ポリビニルシンナメート(PVCm)。68wt%のシンナメートを含むPVCm(MW:100000)1gを1:1ジクロロエタン/塩化メチレンに溶解した。1.3wt%の3IPhOSubPc(3−ヨードフェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III))を添加し、70℃に保ったホットプレート上での加熱を行いながら材料を撹拌機で溶解した。次いで、0.450mmシリンジフィルターを用いて溶液を濾過し、濾過した溶液をガラスプレートセットアップのガラスリム(直径5cm)中に注ぎ、45℃に12時間及び75℃に一晩保ったホットプレート上で乾燥した。ホットプレート上での乾燥後、フィルムをガラスプレートから除去し、真空中において70℃で6時間乾燥した。
マイクロホログラム記録
405nmの波長で動作する同調可能な光パラメトリック発振器システムを、マイクロホログラムの記録及び読出し用のパルス光源として使用した。0.16の開口数(NA)を有する光学系を用いて光を媒体試料中に集束した結果、記録体積の概略寸法は1.6×1.6×17μmとなった。マイクロホログラム記録のために使用したパルスエネルギーはナノジュールで10s乃至100sであって、これはかかる集束記録ビームの焦点スポットの位置で数百MW/cm2乃至数GW/cm2の光強度値の達成を可能にした。マイクロホログラムから反射された光の読出しは、記録パワーに対して約100〜1000倍だけ減衰させた同じビームを用いて行った。
2つの高強度対向伝播型パルス記録ビームを記録媒体の内部に集束しかつ重ね合わせて明領域及び暗領域(干渉縞)からなる強度干渉縞パターンを生み出すことで、光学データ記憶媒体中へのマイクロホログラムの記録を実施した。干渉パターンの照明領域は上述したような変化を受けて材料の局部的に修飾された屈折率を生じる一方、暗領域は未変化のままに保たれ、かくして体積ホログラムが生み出される。本発明の閾値型光学データ記憶媒体は高強度光に対して感受性を有するが、低強度放射に対しては比較的不活性である。記録ビームのパワーは、ビームの焦点領域付近の光強度が記録閾値(変化が容易に起こるようになる値)を超える一方、ビームの焦点スポットから離れた記録可能領域の外側では低く保たれ、かくして意図されない媒体の修飾(記録又は消去)が排除されるように調整した。
マイクロホログラム記録時には、一次記録ビームは半波長板(λ/2)及び第1の偏光ビームスプリッターを用いて信号ビーム及び参照ビームに分割される。2つの二次ビームは対向伝播構成で試料に向けて導かれ、0.4までの開口数(NA)を有する同一の非球面レンズによって光学データ記憶媒体の内部で重なり合うように集束される。ビームが干渉して高コントラストの干渉縞パターンを生み出すことを保証するため、両ビームの偏光は2つの四分の一波長板(λ/4)を用いて円偏光に変換した。試料及び信号ビームレンズは、25nmの分解能を有する閉ループ式の三軸位置決めステージ上に取り付けた。試料の参照側の位置感受性検出器を用いて、媒体中で集束信号ビーム及び参照ビームの最適重ね合わせ、したがって最適記録が達成されるように信号ビームの位置合わせを行った。
記録及び/又は読出し時には、可変減衰器及び半波長板/PBSアセンブリを用いてパワーレベルを制御した。これにより、光学データ記憶媒体のマイクロホログラフィック記録特性を記録パワー及び/又はエネルギーの関数として測定できる。このような関数依存性は、記録ホログラムの強度が主として媒体によって受け取られる光エネルギーの総量で画定されるが光強度には無関係である線形の光学データ記憶媒体/記録と、記録効率が光の強度に大きく依存する非線形の閾値型光学データ記憶媒体/記録とを区別する。線形媒体では、少量の露光は低強度のホログラムを生じ、これが露光量の増加に伴って徐々に増強する。それとは対照的に、非線形の閾値型媒体では、強度が閾値を超える場合にのみ記録が可能である。
読出し時には、信号ビームは遮断され、参照ビームはマイクロホログラムによって入射方向と反対の方向に反射された。四分の一波長板及び第2の偏光ビームスプリッターを用いて反射ビームを入射ビーム路からアウトカップリングし、共焦点構成で較正フォトダイオード上に集めて回折効率の絶対尺度を得た。読出し光学系に対して試料を並進させることで、マイクロホログラム回折応答の3Dプロファイルを求め、マイクロホログラムの寸法を評価することが可能である。
図14は、実施例4に従って製造された光学データ記憶媒体に関し、読出しビームに対する一連のマイクロホログラムの実験的に測定した反射率を試料の横方向位置に対して示している。ピークは、参照ビームがアレイ中の1つのマイクロホログラムの中心に配置された場合に試料の位置で生じる。図15は、実施例5に従って製造された光学データ記憶媒体において、フルエンスは同じだが強度は異なる条件下で記録されたマイクロホログラムの反射率の依存性を示しており、材料の閾値型機能性を実証している。即ち、材料の記録感度は強度が閾値(約100〜200MW/cm2)を超えた場合に劇的に増加する一方、閾値未満の強度では記録ホログラムの反射率は本質的にゼロ(系の検出限界内)である。
実施例3に関する回折効率は、記録フルエンスに応じて約0.03〜約0.26%であると予想される。実施例4は7.74%の測定回折効率を有していたのに対し、実施例5は1.55%の測定回折効率を有していた。
以上、本明細書中には本発明の若干の特徴のみを例示し説明してきたが、当業者には多くの修正及び変更が想起されるであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は本発明の真の技術思想の範囲内に含まれるすべてのかかる修正及び変更を包括するものであることを理解すべきである。
200 光学データ記憶媒体
201 区画
202 焦点

Claims (9)

  1. 三重項励起時に光化学変化を受けることができる反応体、及び
    405nmの化学線を吸収して前記反応体への上位三重項エネルギー伝達を引き起こすことができる1種以上のサブフタロシアニン逆飽和吸収体からなる非線形増感剤
    を含んでなる組成物であって、1種以上のサブフタロシアニン逆飽和吸収体が、クロロ[2,9,16−トリブロモサブフタロシアニナト]ホウ素(III)、クロロ[2,9,16−トリヨードサブフタロシアニナト]ホウ素(III)、クロロ[トリニトロサブフタロシアニナト]ホウ素(III)、クロロ[2,9,16−トリ−tert−ブチル−及びクロロ[2,9,17−トリ−tert−ブチルサブフタロシアニナト]ホウ素(III)、フェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III)、3−ブロモフェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III)、4−ブロモフェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III)、3,5−ジブロモフェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III)、3−ヨードフェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III)、4−ヨードフェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III)、フェノキシ[2,9,16−トリヨードサブフタロシアニナト]ホウ素(III)、3−ヨードフェノキシ[2,9,16−トリヨードサブフタロシアニナト]ホウ素(III)、4−ヨードフェノキシ[2,9,16−トリヨードサブフタロシアニナト]ホウ素(III)又はこれらの組合せからなる、組成物
  2. サブフタロシアニン逆飽和吸収体(RSAが3−ヨードフェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III)からなる、請求項記載の組成物。
  3. 反応体がスチルベン誘導体、シンナメート誘導体、シンナムアミド誘導体又はこれらの組合せからなる、請求項1又は請求項2記載の組成物。
  4. 導波路として、光学データ記憶媒体として、屈折率分布型(GRIN)レンズとして、又はディジタルホログラフィックイメージングで使用するのに適した、請求項1乃至請求項3のいずれか1項記載の組成物。
  5. ポリマーマトリックス、
    三重項励起時に光化学変化を受けることで屈折率変化を引き起こすことができる反応体、及び
    405nmの化学線を吸収して前記反応体への上位三重項エネルギー伝達を引き起こすことができる1種以上のサブフタロシアニン逆飽和吸収体からなる非線形増感剤
    を含んでなる光学データ記憶媒体であって、1種以上のサブフタロシアニン逆飽和吸収体が、クロロ[2,9,16−トリブロモサブフタロシアニナト]ホウ素(III)、クロロ[2,9,16−トリヨードサブフタロシアニナト]ホウ素(III)、クロロ[トリニトロサブフタロシアニナト]ホウ素(III)、クロロ[2,9,16−トリ−tert−ブチル−及びクロロ[2,9,17−トリ−tert−ブチルサブフタロシアニナト]ホウ素(III)、フェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III)、3−ブロモフェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III)、4−ブロモフェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III)、3,5−ジブロモフェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III)、3−ヨードフェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III)、4−ヨードフェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III)、フェノキシ[2,9,16−トリヨードサブフタロシアニナト]ホウ素(III)、3−ヨードフェノキシ[2,9,16−トリヨードサブフタロシアニナト]ホウ素(III)、4−ヨードフェノキシ[2,9,16−トリヨードサブフタロシアニナト]ホウ素(III)又はこれらの組合せからなる、光学データ記憶媒体
  6. サブフタロシアニン逆飽和吸収体(RSAが3−ヨードフェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III)からなる、請求項記載の光学データ記憶媒体。
  7. 反応体がシンナメート、シンナメート誘導体、シンナムアミド誘導体又はこれらの組合せからなる、請求項5又は請求項6記載の光学データ記憶媒体。
  8. シンナメート、シンナメート誘導体、シンナムアミド誘導体が、ポリビニルシンナメート(PVCm)、ポリビニル4−クロロシンナメート(PVClCm)、ポリビニル4−メトキシシンナメート(PVMeOCm)、(2E,2’E)−((1S,2S)−シクロヘキサン−1,2−ジイル)ビス(3−フェニルアクリレート)、(2E,2’E)−((1S,2S)−シクロヘキサン−1,2−ジイル)ビス(4−クロロフェニルアクリレート)、(2E,2’E)−((1S,2S)−シクロヘキサン−1,2−ジイル)ビス(4−メトキシフェニルアクリレート)、(2E,2’E)−N,N’−((1S,2S)−シクロヘキサン−1,2−ジイル)ビス(3−フェニル)アクリルアミド)、(2E,2’E)−N,N’−((1S,2S)−シクロヘキサン−1,2−ジイル)ビス(3−(4−クロロフェニル)アクリルアミド)、(2E,2’E)−N,N’−((1S,2S)−シクロヘキサン−1,2−ジアリール)ビス(3−(4−メトキシフェニル)アクリルアミド)又はこれらの組合せからなる、請求項記載の光学データ記憶媒体。
  9. 光学データ記憶方法であって、当該方法が、
    ポリマーマトリックス、三重項励起時に光化学変化を受けることで屈折率変化を引き起こすことができる反応体、及び化学線を吸収して前記反応体への上位三重項エネルギー伝達を引き起こすことができる1種以上のサブフタロシアニン逆飽和吸収体からなる非線形増感剤を含む光学データ記憶媒体を用意する段階と、
    前記光学データ記憶媒体中にマイクロホログラムを記録する段階
    を含んでおり、1種以上のサブフタロシアニン逆飽和吸収体が、クロロ[2,9,16−トリブロモサブフタロシアニナト]ホウ素(III)、クロロ[2,9,16−トリヨードサブフタロシアニナト]ホウ素(III)、クロロ[トリニトロサブフタロシアニナト]ホウ素(III)、クロロ[2,9,16−トリ−tert−ブチル−及びクロロ[2,9,17−トリ−tert−ブチルサブフタロシアニナト]ホウ素(III)、フェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III)、3−ブロモフェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III)、4−ブロモフェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III)、3,5−ジブロモフェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III)、3−ヨードフェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III)、4−ヨードフェノキシ[サブフタロシアニナト]ホウ素(III)、フェノキシ[2,9,16−トリヨードサブフタロシアニナト]ホウ素(III)、3−ヨードフェノキシ[2,9,16−トリヨードサブフタロシアニナト]ホウ素(III)、4−ヨードフェノキシ[2,9,16−トリヨードサブフタロシアニナト]ホウ素(III)又はこれらの組合せからなる、光学データ記憶方法。
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