方法文章

观察光响应性液晶结构动力学的新技术

DOI：

10.3791/57612

⸱

2018年5月29日

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Graduate School of Natural Science and Technology, Okayama University, 2Graduate School of Science, Kyoto University, 3Center for Computational Sciences, University of Tsukuba, 4Graduate School of Science, Kyushu University

本文内容

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本文介绍了时间分辨红外振动光谱和电子衍射的差分检测分析方法，这些方法能够观测柱状液晶中光激发分子周围局部结构的形变，从而从原子尺度揭示该光敏材料的结构与动力学之间的关系。

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本文讨论了利用时间分辨红外（IR）振动光谱和时间分辨电子衍射技术对液晶（LC）相中分子进行的实验测量。液晶相是一种介于固态与液态之间的重要物态，广泛存在于天然体系以及有机电子学材料中。液晶分子具有取向有序性，但堆积较为松散，因此其分子组分的内部构象和排列方向可受外界刺激而发生改变。尽管先进的时间分辨衍射技术已揭示了单晶和多晶材料中皮秒尺度的分子动力学过程，但软物质材料的堆积结构及其超快动力学行为的直接观测仍受限于模糊的衍射图样。本文报道了采用时间分辨红外振动光谱与电子衍射技术，对一种含有光敏核心单元的柱状液晶材料获取其超快瞬态图像的研究结果。结合时间分辨红外振动光谱与电子衍射的差分检测分析，是表征软物质材料结构及其光诱导动力学行为的有力工具。

引言

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

液晶（LCs）具有多种功能，广泛应用于科学与技术领域1,2,3,4,5,6。液晶的行为源于其分子的取向有序性以及分子的高度流动性。液晶材料的分子结构通常包含一个介晶核心和长的柔性碳链，后者可确保液晶分子具有高流动性。在外加刺激7,8,9,10,11,12,13,14,15（如光、电场、温度变化或机械压力）作用下，液晶分子内部及分子间的微小运动可引起系统内剧烈的结构重排，从而产生功能性响应。为了理解液晶材料的功能，必须明确液晶相中的分子尺度结构，并识别出分子构象变化和堆积形变中的关键运动过程。

X射线衍射（XRD）通常作为一种强大的工具，用于测定液晶材料的结构16,17,18。然而，来自功能性刺激响应核心的衍射图样常常被长碳链产生的宽晕圈图样所掩盖。解决这一问题的有效方法是时间分辨衍射分析，该技术可通过光激发实现对分子动力学的直接观测。该方法利用光激发前后获得的衍射图样之间的差异，提取光响应芳香片段的结构信息。这些差异不仅可用于消除背景噪声，还可直接观察感兴趣的结构变化。对差分衍射图样的分析揭示了仅来自光活性片段的调制信号，从而排除了非光响应碳链产生的不利衍射。Hada, M. et al19 对这种差分衍射分析方法进行了详细描述。

时间分辨衍射测量能够提供材料相变过程中原子重排以及分子间化学反应的结构信息20,21,22,23,24,25,26,27,28,29和30,31,32,33,34。基于这些应用，超亮、超短脉冲X射线35,36和电子束源37,38,39,40的开发已取得显著进展。然而，时间分辨衍射技术迄今仅应用于结构简单的孤立分子或单晶及多晶样品，这些体系中高度有序的无机晶格或有机分子可产生清晰可辨的衍射图样，从而提供结构信息。相比之下，由于软物质材料的有序度较低，对其开展超快结构分析一直受到限制。在本研究中，我们展示了利用时间分辨电子衍射，结合瞬态吸收光谱和时间分辨红外（IR）振动光谱，通过该衍射提取方法19来表征光敏液晶材料的结构动力学。

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方案

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1. 时间分辨红外振动光谱法

  1. 样品制备
    1. 溶液：将π-扩展的环辛四烯（π-COT）分子溶解于二氯甲烷中，配制成适当浓度的溶液（1 mmol/L）。
    2. 液晶相：将π-COT粉末置于氟化钙（CaF2）基底上，使用加热板在100 °C下熔融。随后在室温下冷却样品。
      注意：需选择在中红外区域透明的材料（如CaF2或氟化钡（BaF2））。
  2. 仪器设置
    1. 开启钛蓝宝石（Ti:sapphire）激光器和啁啾脉冲放大器，并使其热稳定数小时。
    2. 确保光路对准正确。检查紫外（UV）泵浦光和中红外探测光的功率与稳定性，必要时重新调整光路。时间分辨红外光谱的光学装置如图5所示。
    3. 使用液氮冷却HgCdTe红外探测器阵列。确保光谱仪位置适当，以便在目标波长范围内检测到足够强度的信号。使用已知材料（如聚苯乙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯）的吸收光谱对光谱仪进行校准。
    4. 将表现出显著光致瞬态响应的样品（如硅片（1 mm）或Re(bpy)(CO)3Cl/CH3CN溶液）安装在样品架上。将泵浦-探测延迟设置为正值，并通过调节泵浦光束的位置以优化瞬态信号强度，确保泵浦光与探测光在空间上重叠。
    5. 使用自主编写的程序对泵浦-探测延迟进行长程扫描，确定时间零点位置（见图6）。检查瞬态信号开始出现的位置。
    6. 检测Re(bpy)(CO)3Cl中CO伸缩振动的对称与反对称模式的动力学行为，其偶极矩相互正交。注意，当满足“魔角”条件时，两者应表现出完全相同的时间动力学特征。
  3. 测量与数据采集
    1. 溶液：安装自制的流动池。如有需要，设置惰性气体（氮气（N2）或氩气（Ar））鼓泡装置。液晶相：将旋涂有π-COT样品的基底安装在电动平移台上，使激光光斑持续移动，以最小化激光诱导损伤。
    2. 使用样品再次确认时间零点位置。
    3. 合理设置泵浦-探测延迟的扫描范围（起始值、终止值和步长）。
    4. 选择用于保存数据的目录。
    5. 启动自主编写的程序开始数据采集。
      注意：数据将自动保存至指定目录中。

2. 时间分辨电子衍射

  1. 样品基底的制备
    1. 购买一片双面预镀有30 nm厚富硅氮化硅（Si3N4，简称SiN）薄膜的硅（001）晶圆（厚度为200 µm）（图11A）。将SiN/Si/SiN晶圆切割成15 × 15 mm2的正方形。
    2. 通过金属掩模对SiN/Si/SiN晶圆的一侧进行Ar团簇离子束辐照41，注量为2.5 × 1016 离子/cm2（图12），足以去除30 nm厚的SiN薄膜（图11B,C）。
      注：去除SiN薄膜的替代方法包括等离子体刻蚀或离子束刻蚀。
    3. 配制浓度为28%的氢氧化钾（KOH）水溶液。
    4. 将晶圆置于60–70 °C的KOH溶液中浸泡1–2天（图11D），通过各向同性化学刻蚀进一步蚀刻硅基底42。
      注：KOH溶液对Si的刻蚀速率远高于对SiN的刻蚀速率，因此SiN薄膜保持完整并形成自支撑膜（图11E）。
    5. 用去离子水清洗带有SiN膜的晶圆，并用氮气吹干。
  2. 样品制备
    1. 将π-COT分子溶解于氯仿中，浓度为10 mg/mL。
    2. 设定旋涂仪程序：5秒内加速至2000 rpm，保持旋转30秒后停止。将π-COT溶液旋涂至SiN膜基底上，如图11F所示。
      注：旋涂所用晶圆的合适尺寸应大于10 × 10 mm2，因为表面张力有时会影响较小尺寸晶圆（例如用于透射电子显微镜的SiN膜网格）上的材料旋涂。
    3. 将涂覆有样品的SiN膜基底置于加热板上，在100 °C下加热使其熔化，随后缓慢冷却至室温（图11G）。
  3. 测量
    1. 用螺丝将样品固定在样品台上，并将样品台放入真空腔室（样品腔）中。
    2. 用盖子密封真空腔室，开启旋片泵抽真空至腔室压力低于1000 Pa。随后开启分子涡轮泵，直至电子枪腔室达到约10-6 Pa的真空度（通常需超过12小时）。
    3. 开启钛宝石激光器和啁啾脉冲放大器，并使其热稳定超过1小时。时间分辨电子衍射实验装置如图9所示。将重复频率设为500 Hz。
    4. 开启电荷耦合器件（CCD）相机的制冷装置，并将其冷却至10 °C。
    5. 开启高压电源，调节电压至75 kV。
      注：电源的漏电流波动不应超出0.1 µA范围。
    6. 特殊重叠校准。打开实验室自编的自动程序（图10A），设置曝光时间为50 ms。使用样品台上配备的小孔，通过将Start type设为Z_overlap以实现Z轴和Y_overlap的重叠，然后点击Start按钮，利用该程序确定电子束位置。
    7. 将电子束对准小孔位置，并通过小孔反射的泵浦光对泵浦激光进行准直。
    8. 在样品台上放置无机材料（Bi2Te3），使用实验室自编的自动程序（图10B）测量时间零点位置，设置Start type为Time-resolved并点击Start按钮。在此过程中，将泵浦光注量调节至2 mJ/cm2。
    9. 将法拉第杯插入电子束路径，使用实验室自制的皮安计测量电子束注量，并通过旋转探针光路中的可调ND滤光片进行调节。通过旋转泵浦光路中的波片调节泵浦脉冲的注量。
    10. 移动至样品位置，设置CCD相机的曝光时间。使用实验室自编的自动程序（图10B），将Start type设为Single并点击Start按钮，获取电子衍射图像。
    11. 开启CCD相机的帕尔贴元件，将其冷却至-20 °C。
    12. 设置时间步长和步数以进行时间分辨测量。使用实验室自编的自动程序（图10B），将Start type设为Time-resolved并点击Start按钮，获取时间分辨电子衍射图像。
    13. 关闭电子加速高压电源，使用实验室自编的自动程序（图10B），将Start type设为Time-resolved并点击Start按钮，获取时间分辨背景图像。

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结果

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我们选择鞍形π-COT骨架43,44作为液晶分子的光敏核心单元，因为它能形成明确的柱状堆叠结构，且中心的八元COT环由于激发态芳香性，预期可在光照下发生构象变化转变为平面结构19,45。该材料的合成过程已在先前的文献中报道19。所合成的液晶分子由π-COT核心单元和典型的树枝状碳链部分46,47组成，分子式为C204H324N4O12S4（图1）。该材料在室温下呈现柱状液晶相，因此无需控温即可进行液晶相的结构分...

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讨论

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在时间分辨电子衍射测量过程中，关键步骤是保持高压（75 keV）稳定，避免电流波动，因为光阴极与阳极板之间的距离仅有约10 mm。如果在实验前或实验过程中电流波动超过0.1 µA范围，应将加速电压升高至90 keV以进行放电，然后重新设定为75 keV。此 conditioning 过程需重复进行，直至电流波动控制在0.1 µA范围内。设计具有足够介电强度的电子源是研制此类设备最重要的环节。

一般来说，时间分辨红外振动光谱和时间分辨电子衍射技术仅适用于发生光诱导结构变化的材料。然而，这些技术在观测软物质的结构动力学方面具有显著优势，因为电子探针对轻元素（碳、氧、氮、氢）的位置更为敏感。 等等其灵敏度高于X射线探针，且中红外探针对轻元素间化学键的振动模式比其他波长范围的光更为敏感。

综上所述，结合时间分辨红外振动光谱与电子衍射技术的差分检测分析，能够直接观测液晶材料的结构及其动力学行为。该方法可更广泛地应用于复杂软物质体系中刺激响应单元的局部结构运动研究，例如细胞膜蛋白，从而为超快结构动力学科学提供了新的研究方...

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披露

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作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

我们感谢东京工业大学的 S. Tanaka 博士在时间分辨红外振动光谱测量方面的帮助，以及名古屋大学的 M. Hara 教授和 K. Matsuo 博士在 X 射线衍射（XRD）测量方面的支持。我们还感谢名古屋大学的 S. Yamaguchi 教授、基尔大学的 R. Herges 教授以及马克斯·普朗克结构与动力学研究所的 R. J. D. Miller 教授提供的宝贵讨论。

本工作由日本科学技术振兴机构（JST）PRESTO项目资助，支持“分子技术与新功能创制”（项目编号：JPMJPR13KD、JPMJPR12K5 和 JPMJPR16P6）以及“光能的化学转化”项目。本工作还部分得到了日本学术振兴会（JSPS）项目编号 JP15H02103、JP17K17893、JP15H05482、JP17H05258、JP26107004 和 JP17H06375 的资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
啁啾脉冲放大器Spectra Physics Inc.Spitfire ACE用于时间分辨红外振动光谱学
啁啾脉冲放大器 Spectra Physics Inc.Spitfire XP用于时间分辨电子衍射测量
飞秒激光器Spectra Physics Inc.Tsunami用于时间分辨红外振动光谱学
飞秒激光器Spectra Physics Inc.Tsunami用于时间分辨电子衍射测量
光学参量放大器Light Conversion Ltd.TOPAS prime
64通道汞镉碲红外探测器阵列红外系统开发公司FPAS-6416-D
傅里叶变换红外光谱仪岛津公司IR Prestige-21
高压电源Matsusada PrecisionHER-100N0.1
旋片泵EdwardsRV12
分子涡轮泵安捷伦科技日本有限公司Twis Torr 304FS
真空计Pfeiffer Vacuum Systems GmbHPKR251用于ICF70法兰
真空监测仪Pfeiffer Vacuum Systems GmbHTPG261
光纤耦合CCD相机Andor Technology Ltd.iKon-L HF
BaF₂和CaF₂基底Pier Optics厚度3 mm
AgGaS₂晶体Phototechnica Corporation定制订购
BBO晶体东京仪器公司SHG θ=29.2 deg
THG θ=44.3 deg
方解石晶体东京仪器公司厚度1 mm
光学反射镜ThorlabsPF10-03-F01
PF10-03-M01
UM10-45A		铝镀膜反射镜
金镀膜反射镜
超快反射镜
光学反射镜HIKARI, Inc.宽带反射镜
二向色镜HIKARI, Inc.定制订购
反射：266 nm
透射：400, 800 nm
光学斩波器Newport Corporation3501 光学斩波器
光学快门Thorlabs Inc.SH05/M
SC10
光学快门SURUGA SEIKI CO., LTD.F116-1
分束器Thorlabs Inc.BSS11R
熔融石英透镜Thorlabs Inc.LA4663
LA4184
BaF₂透镜Thorlabs Inc.LA0606-E
偏振反射镜Sigmakoki Co., Ltd定制订购
专为800 nm设计
反射：s偏振光
透射：p偏振光
半波片Thorlabs Inc.WPH05M-808
反射镜支架Thorlabs Inc.POLARIS-K1
KM100		运动学反射镜支架
反射镜支架Sigmakoki Co., LtdMHAN-30M
MHAN-30S		万向反射镜支架
反射镜支架Newport CorporationACG-3K-NL万向反射镜支架
可变中性密度滤光片Thorlabs Inc.NDC-25C-2M
分束器支架Thorlabs Inc.KM100S
透镜支架Thorlabs Inc.LMR1/M
旋转支架Thorlabs Inc.RSP1/M
后向反射器Edmund Optics63.5MM X 30" EN-AL 
光谱仪Ocean PhotonicsUSB-4000
功率计Ophir30A-SH用于CPA的强度监测
功率计Thorlabs Inc.S120VC
PM100USB		用于泵浦脉冲的强度测量
光电二极管Thorlabs Inc.DET36A/M
DET25K/M
直流电源TEXIOPW18-1.8AQ用于磁透镜
磁透镜Nissei ETC Co., Ltd定制订购
位移台Newport CorporationM-MVN80V6
LTAHLPPV6		用于磁透镜
位移台控制器Newport CorporationSMC100
位移台 Sigmakoki Co., LtdSGSP20-35(X)
SGSP20-85(X)		用于样品定位
位移台 Sigmakoki Co., LtdSGSP26-200(X)
OSMS26-300(X)		用于延迟时间发生器
位移台控制器Sigmakoki Co., LtdSHOT-304GS
皮安计实验室自制
旋涂仪MIKASA Co., Ltd1H-D7
加热板IKA® C-MAG HP7
氮化硅晶圆Silson Ltd定制订购
氢氧化钾水溶液（50%）广岛和光有限公司168-20455
氯仿广岛和光有限公司038-18495
二氯甲烷广岛和光有限公司132-02456
用于控制程序的个人计算机爱普生公司Endeavor MR7300E-L32位操作系统
设备控制程序美国国家仪器公司Labview2016
数据分析程序The MathWorks, Inc.Matlab2015b

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