JPH01293323A - 光信号ゲート素子用材料及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野〕 本発明は、光信号ゲート素子用材料、詳しくは、高速の
スイッチング特性を有し、光コンピュータの光ゲート素
子等に応用し得る光信号ゲート素子用材料及びその製造
方法に関する。

〔従来の技術〕

光反応により分子に構造的な変化が起こり、色が可逆的
に変わるフォトクロミック材料として、スピロピラン等
が知られており、これらのフォトクロミック材料を光記
憶材料に利用することも知られている。

また、上記のフォトクロミック材料を含む第１の有機薄
膜層に、光吸収により励起されて別の波長の光を放射す
る化合物を含む第２の有機薄膜層を積層して２層膜を形
成し、この２層膜における第２の有機薄膜層に所定の波
長の光を照射すると、第１の有機薄膜層におけるフォト
クロミック材料の構造的な変化状態の差異により、第１
の有機薄膜層は、第２の有機薄膜層からの光を、そのま
ま通過させるか又は該光で励起された別の波長の光を放
射することも知られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上記のフォトクロミック材料を用いた光信号ゲ
ート素子用材料は開発されておらず、また、上記の２層
膜を効果的に利用した技術も開発されていない。

一方、光コンビ二一夕等においては、高速のスイッチン
グ特性を有する光信号ゲート素子が要請されている。

従って、本発明の目的は、フォトクロミック材料を用い
た上記の２層膜の特性を効果的に利用することによって
、光コンピュータ等の光信号ゲート素子として応用可能
な高速のスイッチング特性を有する光信号ゲート素子用
材料及びその製造方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者らは、種々検討した結果、前記の２層膜に更に
第３の特定の有機薄膜層を積層した多層膜が上記目的を
達成し得ることを知見した。

本発明は、上記知見に基づきなされたもので、所定の波
長の光の照射により励起されて該所定の波長より長い波
長の光を放射する供与層と、該供与層から放射される光
の伝達を制御する制御層と、該制御層からの光を受容す
る受容層とを順次積層した多層膜からなり、 上記制？１層は、可逆的光化学反応を起こすフォトクロ
ミ７り化合物を含み、波長の異なる２つの制御光のいず
れかによって、上記供与層からの光をそのまま透過させ
て上記受容層に伝達するか又は上記供与層からの光で励
起されて該光の波長より長い波長の光を上記受容層に伝
達し、上記受容層は、上記制御層からの前者の光（透過
光）をそのまま透過させ、また上記制御層からの後者の
光（励起光）によって励起されて該先の波長より長い波
長の光を放射する ことを特徴とする光信号ゲート素子用材料を提供するも
のである。

また、本発明は、本発明の上記光信号ゲート素子用材料
を製造するための好ましい方法として、多層膜を、ラン
グミエア・プロジェット法により、透明な基板上に形成
することを特徴とする製造方法を提供するものである。

以下本発明の光信号ゲート素子用材料を第１図乃至第５
図を参照しつつ詳述する。

本発明の光信号ゲート素子用材料は、所定の波長の光の
照射により励起されて該所定の波長より長い波長の光を
放射する供与層と、該供与層から放射される光の伝達を
制御する制御層と、該制ｉｌ１層からの光を受容する受
容層とを順次積層した多層膜からなっている。

本発明の光信号ゲート素子用材料の供与層１は、上記作
用を発揮する化合物を含有した層となしてあれば良く、
このような作用を発揮する層としては、シアニン系色素
を含有した層であることが好ましく、シアニン系色素と
しては、下記−歳式（１）で表されるものが好ましい。

（Ｒ，は炭化水素基からなる置換基で、炭素数Ｃ１〜Ｃ
１４が好ましく、より好ましくは０１□〜Ｃ２゜であり
、Ｒ２はＲ３と同様の炭化水素基からなる置換基で、炭
素数Ｃ１〜Ｃ２４が好ましく、より好ましくは０１□〜
Ｃ２゜であり、Ｒ，はＲ５と同一でもあっても異なって
いてもよい、〕 上記一般式（１）で表されるシアニン系色素は所定の波
長をもった光の照射により励起されて該所定の波長より
長い、つまり、長波長側の波長をもった励起光を放射す
る性質を有している。　上記一般式（１）で表されるシ
ア、ニン系色素としては、例えばＲ，、Ｒ１がＣ１＠Ｈ
ｓ、の３，３°−ジオクタデシルチアシアニンが挙げら
れる。

本発明の光信号ゲート素子用材料の制御層２は、フォト
クロミック化合物を含有した層で、フォトクロミック化
合物としては、下記一般式（ＩＩ）で表されるスピロピ
ラン系色素が好ましい。

１′＜３ ［Ｒｓは上記一般式（１）のＲ１、Ｒｔと同様炭化水素
基からなる置換基で、炭素数Ｃ１〜ＣＺａが好ましく、
より好ましくはＣ１４〜ｃｔｅである。Ｒ１としては、
例えばＣＩＩＨ３？が挙げられる。〕上記一般式（ｎ）
で表されるフォトクロミック化合物は、第１の制御光、
例えば紫外線を受けると、開環反応を起こし、上記供与
層１のシアニン系色素から放射された光を吸収する吸収
帯域が現れ、上記供与層ｌの励起光によって励起されて
より長波長側の励起光を放射し、また第２の制御光、例
えば、可視光を照射することによってその吸収帯域が消
失して無色になり、上記供与層１からの放射光に対して
透明になる。

上記一般式（ｎ）で表されるフォトクロミック化合物と
しては、例えば１°　−オクタデシル−３，３°ジメチ
ル−６−二トロスピロ（２Ｈ−１−ベンゾピラン−２，
２°　−インドリン）が挙げられる。

本発明のゲート素子の受容層３は、上記制御３層２から
の放射光を受容して励起する化合物を含有した層となし
てあれば良く、このような層としては、カルボシアニン
系色素を含有した層であることが好ましく、カルボシア
ニン系色素としては下記一般式（Ｉ［Ｉ）で表されるも
のが好ましい。

（ＲＪ、Ｒｓは上記一般式（１）、（Ｉ［）と同様の炭
化水素からなる置換基で、炭素数Ｃ１〜ＣＺＳが好まし
く、より好ましくはＣ＋ｔ〜Ｃ２゜である、〕上記一般
式（Ｉｌｌ）で表されるカルボシアニン系色素は、上記
制御層２からの放射光を吸収する吸収帯域を有し、この
放射光により励起されてより長波長側の放射光を放射す
る性質を有し、その他の波長の光は透過させる性質を有
している。

上記一般式（Ｉ［［）で表されるカルボシアニン系色素
としては、例えば４．　５．　４″、５″−ジベンゾ−
１，１−ジオクタデシル−３，３，３’　。

３°　−テトラメチルインドジカルボシアニンが挙げら
れる。

更に、本発明の光信号ゲート素子用材料は、上記供与層
１、制′４′ｎ層２及び受容層３の他に、これらの多層
膜を保護する保護層４と、中間層５を介した基板６とを
備えている。基板６は、光を吸収しない透明体であれば
、特に特定の材料に限定されないが、該基板６としては
、石英、ガラスなどが好ましく用いられる。

本発明のゲート素子は、上述の如く供与層１、制御層２
及び受容層３を備えてなるため、波長の異なる２つの制
御光を交互に照射することによって、制御層２が着色状
態、無色状態を交互に形成し、例えば第２図に示す如く
供与層１からの発光スペクトルＡをそのまま制御層２、
受容層３を介して伝達する現象と、上記スペクトルを制
御層２、受容層３を介して特定波長域、同図では４ＢＯ
ｎ＋ｍの強度を低下させると共により長波長側にシフト
した７２５ｎ−の発光スペクトルを生成して、その波長
域の強度を高めた発光スペクトルＢとして伝達する現象
とが現れる。

この現象を更に詳述すると、第３図（ａｌ　（ｂｌに示
す如く、一方の第１の制御光によって制御層２の上記フ
ォトクロミック化合物が開環して青色状Ｂ（同図中）参
照）になると、供与層ｌの発光スペクトルのエネルギー
の一部が制御層２のフォトクロミック化合物の開環反応
によって現れた４８０ｎｍの吸収帯域に吸収されてその
励起エネルギーとして消費するために、上記供与層１か
らの発光スペクトルの特定波長域４ａｏｎｍの強度は低
下しく第２図参照）、また励起されたフォトクロミフク
化金物は６６０ｎｍの発光スペクトルを放射する。

さらに、その光は受容層３のカルボシアニン系色素の６
６０ｎｍの吸収帯に吸収されてカルボシアニン系色素を
励起して発光し、より長波長側にシフトした波長域の強
度、同図では７２５ｔ１ｍの波長を高めることになる（
第２図参照）、また、他方の第２の制御光によって制御
層４が無色状態になると４８０　ｎｍの波長域での吸収
帯域が消失しく第参図（ａｌ参照）、供与層１の発光ス
ペクトルはそのまま制御層２、受容層３を透過して伝達
される。従って、第１の制御光を照射した場合には、第
２の制御光を照射した場合に比べて、供与層１からの発
光スペクトルの特定波長域の強度は低下し、受容層３の
発光スペクトルの波長域の強度が高くなっている。

そこで、これらの両波長域（例えば第２図では４　Ｂ　
０ｎ１１．７２５ｎｍ）のスペクトルの強度をモニタす
ると、第４図に示す強度波形が得られる。即ち、同図は
２つの制御光を交互に照射した場合の上記各波長域の各
強度変化を示し、第１の制御光である紫外光を照射する
と、４８０ｎ−での発光強度は急激に下降してボトムに
達する反面、７２５ｎｍでの発光強度は急激に上昇して
ピークに達する。

次いで、第２の制御光である可視光の照射に切り替える
と、４８０ｎ−での発光強度が急激に上昇する反面、７
２５ｎ＋ｓでの発光強度が急激に下降してボトムに達す
る。このように第１の制御光と第２の制御光を切り替え
制御することによって、モニタする４８０ｎ−と？２５
ｎｍでの発光強度が夫々相反する方向に同時に変化して
、両者が相互に最も接近した第１の状態と、最も隔離し
た第２の状態とが明瞭に現れ、これらの第１の状態、第
２の状態を夫＃ＯＮ、ＯＦＦあるいはＯＦＦ、ＯＮ状態
として設定しておくことによって、光スイツチング機能
を達成することが可能になる。

つまり、供与層１、制御層２に受容層３を積層すること
によって上記モニタが可能となり、延いては高速特性に
優れた光ゲート素子としての機能を得ることができるも
のである。

尚、上記受容層３、制御層２及び供与層１には、更にそ
れらと同一構成の多層膜を積層してもよく、また、基板
６に対する積層順序は逆にしても同様の効果が奏し得ら
れることは言うまでもない。

次に本発明の光信号ゲート素子用材料の製造方法を第１
図に基づいて説明する０本発明の光信号ゲート素子用材
料は、ラングミュア−プロジェット法によって製造する
ことができる。そのためには、まず、アラキン酸やアラ
キン酸メチルなどのように上述した各色素と相溶性のあ
る化合物を水面に浮遊させてそれらの単分子層膜を形成
させて圧縮し、ｉ縮膜を形成させた後、基板６を水面に
対して垂直に上下させると、アラキン酸などの単分子層
が基板表面に形成される。かかる上げ下げを奇数回行っ
て、最終層の表面が疎水性基になるように積層して、中
間層５を形成させる０次いで、アラキン酸に上述したカ
ルボシアニン系色素を溶解させて同様に基板６を上下さ
せて中間層５の表面に積層させる。これを偶数回繰り返
して受容層３を形成する０次いで、同様の操作をしてフ
ォトクロミック化合物の偶数層からなる制御層２、シア
ニン系色素の偶数層からなる供与層ｌ及びアラキン酸な
どからなる保護層４を夫々形成する。

〔実施例〕

以下本発明のゲート素子の一実施例について説明する。

本実施例のゲート素子の供与層１、制？ＩＩＪｉ２及び
受容層３は、第１図及び第５図に示す有機色素を含有し
て形成されている。

即ち、上記供与層１は、シアニン系色素として３．３°
　−ジオクタデシルチアシアニンを含有し、この色素は
第３図ｔａ＋、（ｂｌに示す如き吸収帯域を有し、所定
の波長４０５　ｎｍで励起されて波長４８０ｎｍの励起
光を発光する。

また、上記ゲート素子の制御層２は、上記供与層１にお
いて発光して放射される光の伝達を制御する層で、下記
フォトクロミック化合物として、１°−オクタデシル−
３，３°　−ジメチル−６−二トロスピロ（２Ｈ−１−
ベンゾビラン−２，２゛−インドリン〕を含有している
。

このフォトクロミック化合物に構造変化をもたらす波長
としては、第３図ｆａｔ、（′ｂ）に示す如く第１の制
御光として波長が３６５１■の紫外光が用いられ、第２
の制御光として波長が５４５ｎｍの可視光が用いられる
。第１の制御光を照射すると、このフォトクロミック化
合物は、以下に示す如く、開環反応を起こし、波長の吸
収帯域が変化し、４８０ｎｅに吸収帯域が現れる。

従って、上記供与層１から４８０ｎｍの光が照射される
と、この光を吸収して励起され、より波長の長い６６０
ｒｖの光を発光するようになる。逆に第２の制御光を照
射すると、上記吸収帯域が消失し、４８０ｎａの光をそ
のまま透過させる。

また、上記ゲート素子の受容層３は、下記カルボシアニ
ン系色素であるである、４，５，４°。

５°−ジベンゾ−１，１°−ジオクタデシル−３゜３．
３’　、３°　−テトラメチルインドジカルボシアニン
を含有して形成されている。

この色素は、６６０ｒｖに吸収帯域があり、制御層２に
おいて発光する光を吸収して励起し、７２５ｎｍの波長
をもった光を発光する。

更にまた、上記供与層１、制御層２及び受容層３を支持
する基板６は、石英によって形成されている。

次に本実施例のゲート素子の作用について説明する。

本実施例のゲート素子に５４５ｎ−の波長を持つ可視光
を第２の制御光として照射すると、制御層２は、第３図
（ａｌに示す如く、５００ｎｓ＋近傍には光の吸収帯を
もたない無色状態であるが、３６５ｎｍの波長の紫外光
を第１の制御光として照射すると、制御層２のフォトク
ロミック化合物が上述の如く構造変化を起こし、第３図
（ｂ）に示す如く４８０ｎ−に吸収帯が現れ青色状態に
なる。

従って、５４５ｎｗの可視光を照射した無色状態下で、
供与層１の吸収帯域の４０５ｎｍの光を照射すると、供
与層１がその光を吸収して励起されて４８０ｎａ＋の光
を発光する。この４日０ｎ−の光が制御層２に照射され
ると、制御層２はその光に対する吸収帯域をもたず、そ
の光は制御層２をそのまま透過して受容層３へと伝達さ
れる。更に受容層３も、やはり４８０ｎ−に吸収帯域を
もたないため、そのまま光を通過させて中間層５、基板
６を介して４８０ｎｍの光を透過させてそのまま外方へ
と伝達する。つまり、制？ＩＪＷ２が無色状態では、４
０５ｎｓの光を照射すると、その光は４８０ｎ−にシフ
トした光を伝達することになる。この発光スペクトルを
示したものが第２図に示したＡである。

次いで３６５ｎｍの紫外光を照射した青色状態下で、無
色状態下におけると同一の光を照射すると、供与層ｌか
ら制御ｎ層２には、４８０ｎｍの光が伝達される。制御
層２は、４８０ｎ＋ｍの波長を吸収して励起され、長波
長側にシフトした６６０ｎｍの光を発光して、この光を
受容層３に伝達する。受容層３は、６６０ｎｍに吸収帯
域があるため、その光を吸収して励起され、更に長波長
側にシフトした７２５ｎｓの光を発光してその光を中間
層５、基板６を介して外方へと伝達する。このようにし
て伝達されるこの発光スペクトルは第２図に示したＢで
ある。

上記発光スペクトルＡの４８０ｎｍのピークは、供与層
１の色素での発光をそのまま透過したものであるから、
その強度は大きく、受容層３の色素の７２５ｎｎ＋付近
の発光強度は逆に小さくなる。ところが、発光スペクト
ルＢの場合には、第３図（ｂＪの状態になりつつあると
ころで、４８０ローのピークは、エネルギーが伝達され
た分だけ減少する反面、７２５ｎ＋ｍ付近の発光強度が
上昇している。

これら両全光スペクトルの４８０ｎｍ及び７２５ｎ−に
おける強度をモニタしたものが、第４図であり、第１、
第２の制御光を交互に切り換えることによって、２つの
状態を作り得て、いずれかをＯＮ、ＯＦＦに規定すれば
、スイッチング機能を発揮する。

〔発明の効果〕

本発明の光信号ゲート素子用材料は、フォトクロミック
材料を用いた２層膜の特性を効果的に利用することによ
って、即ち、供与層と制御層の２層膜に新たに受容層を
順次積層して形成したことから、光コンピュータ等の光
信号ゲート素子として応用可能な高速のスイッチング特
性を有する。

また、本発明の光信号ゲート素子用材料はラングミュア
−プロジェット法よって容易に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の光信号ゲート素子用材料の層構成を
示す図、第２回は、光信号ゲート素子用材料によって伝
達される発光スペクトルを示す図、第３図（ａｌ、（′
ｂ）は上記光信号ゲート素子用材料の作用を説明するた
めの説明図、第４図は、第２図に示す発光スペクトルの
うち４８０ｎ腸及び７２５ｎｍの発光強度をモニタした
ときの強度変化を示す図、第５図は光信号ゲート素子用
材料の各層に含有される有機化合物を示す図である。 ｌ・・・供与層　　２・・・制御層 ３・・・受容層　　４・・・保護層 ５・・・中間層　　６・・・基板 第１図 第５図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）所定の波長の光の照射により励起されて該所定の
   波長より長い波長の光を放射する供与層と、該供与層か
   ら放射される光の伝達を制御する制御層と、該制御層か
   らの光を受容する受容層とを順次積層した多層膜からな
   り、 上記制御層は、可逆的光化学反応を起こすフォトクロミ
   ック化合物を含み、波長の異なる２つの制御光のいずれ
   かによって、上記供与層からの光をそのまま透過させて
   上記受容層に伝達するか又は上記供与層からの光で励起
   されて該光の波長より長い波長の光を上記受容層に伝達
   し、 上記受容層は、上記制御層からの前者の光（透過光）を
   そのまま透過させ、また上記制御層からの後者の光（励
   起光）によって励起されて該光の波長より長い波長の光
   を放射することを特徴とする光信号ゲート素子用材料。
2. （２）透明な基板上に、上記多層膜が、その供与層又は
   受容層を上記基板側に位置させて積層されている、請求
   項（１）に記載の光信号ゲート素子用材料。
3. （３）上記多層膜が、疎水性層を介して上記基板上に積
   層されており、且つ表面が保護層で被覆されている、請
   求項（２）に記載の光信号ゲート素子用材料。
4. （４）多層膜を、ラングミュア・プロジェット法により
   、透明な基板上に形成することを特徴とする請求項（１
   ）に記載の光信号ゲート素子用材料の製造方法。