光応答性液晶の構造ダイナミクスを観察する手法

この方法は、液晶研究における一般的な問題に対処するのに役立ちます。これは、光応答中の分子運動のピークを従来の方法では決定できないということです。これらの技術の主な利点は、光励起液晶の構造と超高速ダイナミクスが、微分IRスペクトルと微分電子回折パターンの両方から得られることです。

時間分解IR振動分光法のデモンストレーションを行います。時間分解IR振動分光法用の溶液相サンプルを調製するには、0.025ミリモルのpi-COTを25ミリリットルのジクロロメタンに溶解して、1リットルあたり1ミリモルの溶液を得ます。液晶相サンプルを調製するには、厚さ3mmのフッ化カルシウム基板をpi-COT粉末で覆います。

基板をホットプレートに置き、粉末を100°Cで溶かします。ホットプレートの電源を切り、サンプルを室温まで冷まします。サンプルを調製したら、チタンサファイアレーザーとチャープパルス増幅器をオンにし、熱的に安定させます。

パルス幅を 120 フェムト秒、繰り返し周波数を 500 ヘルツ、入射フルエンスを 1 平方センチメートルあたり 1 ミリジュールに設定します。UVポンプと中赤外プローブパルスの出力と安定性を確認し、必要に応じて光路を再調整します。水銀-カドミウム-テルルIR検出器を液体窒素で冷却します。

分光器を光路に沿って配置し、分光器を校正します。次に、厚さ1mmのシリコンウェーハをサンプルホルダーにテストサンプルとして取り付けます。ポンプ プローブ遅延を正の値に設定します。

ポンプビームをサンプルに向けるミラーを調整して、ポンプとプローブのオーバーラップを最適化し、最大の過渡信号強度を取得します。マイナス 100 ピコ秒から始まり 1000 ピコセンドで終了するスキャンを、5 ピコ秒のステップ時間で設定します。テストサンプルをスキャンし、過渡信号が出現し始める時間的位置、または時間ゼロを特定します。

次に、溶液相サンプルを使用する場合は、フッ化バリウム窓付きのフローセルを装置に取り付け、フローセルを介してサンプルのポンピングを開始します。液晶相サンプルを使用する場合は、サンプルを電動ステージに取り付けて、サンプル上のレーザースポット位置を連続的に移動できるようにし、レーザーによる損傷を最小限に抑えます。サンプルで時間ゼロの時間的位置を確認し、開始時間、終了時間、ステップ時間を設定します。

データファイルのディレクトリを選択し、データ集録プロセスを実行します。まず、窒化ケイ素を塗布したウェーハをエッチングして洗浄し、窒化ケイ素窓を有する基板を得る。窒化シリコーン窓を上にして、基板をスピンコーターチャックに置きます。

クロロホルム中のpi-COTの10ミリグラム/ミリリットル溶液で基板をスピンコートします。スピンコーティングされた基板をホットプレートに置き、ホットプレートを100°Cに加熱してpi-COTを溶かします。100°Cに達したらホットプレートの電源を切り、サンプルを所定の位置に冷まして、pi-COT液晶膜を取得します。

測定を開始するには、サンプルを装置のサンプルホルダーに取り付けます。サンプルホルダーを真空チャンバーに入れ、チャンバーを閉じます。ロータリーポンプを使用して、チャンバーを1000パスカルまたは10ミリバール未満に排気します。

次に、ターボ分子ポンプを使用して、電子銃チャンバーを約10〜マイナス6パスカルまで排気します。次に、チタンサファイアレーザーとチャープパルス増幅器をオンにし、1時間熱的に安定させます。繰り返し周波数を 500 ヘルツに設定します。

CCDカメラチラーの電源を入れ、デバイスを摂氏10度に冷却します。次に、電源をオンにし、電圧を75キロボルトに設定します。特殊なオーバーラップソフトウェアを開き、露光時間を50ミリ秒に設定します。

プローブ電子ビームの位置を見つけるには、まず開始タイプをzオーバーラップに設定し、開始をクリックします。このプロセスが終了したら、[y-overlap] を選択し、もう一度 [start] をクリックします。次に、電子ビームをサンプルホルダーのピンホール位置にセットし、ピンホールで反射したポンプ光にポンプレーザーを合わせます。

次に、時間分解電子回折プログラムに切り替えます。開始タイプを時間分解型に設定し、ポンプの影響値を 2 ミリジュール/平方センチメートルに設定します。[start]をクリックして、サンプルホルダーに固定された無機標準材料に基づいてタイムゼロ位置を測定します。

次に、ファラデーカップを電子ビーム経路に挿入し、ピコアンメーターでフルエンスを測定します。減光フィルターを回転させて、電子ビームのフルエンスを3ピコアンペアに調整します。ポンプビームラインの波長板を回転させることにより、ポンプパルスのフルエンスを1.67ミリワットに調整します。

その後、時間分解電子回折装置で試料位置に移動します。CCDカメラの露光時間を1秒に設定します。start typeをsingleに設定し、startをクリックして静的電子回折像を取得します。

次に、CCDカメラのペルチェ素子をオンにし、デバイスを摂氏マイナス20度に冷却します。CCDカメラが冷却されたら、各ステップで収集するパターンの数と、時間分解測定のステップ数を設定します。開始タイプを time-resolved に設定し、開始をクリックして時間分解電子回折像を収集します。

実験が終了したら、電子加速電源をOFFにしてください。同様に時間分解画像を収集して背景を取得します。pi-COT系液晶薄膜の差動IR振動スペクトルは、COT環とチアゾール環、およびpi-COTのフラットT1型で強いIR活性を持つビフェニルモヤードの伸長モードに対応するピークを持っていました。

ピーク強度の時間依存的な変化は、1338逆センチメートルの波数を持っていました。これは、サドルからフラットへの確認変更が2ピコ秒以内に一貫しています。その後、単一分子の場合は10〜20ピコ秒、積み重ねられた分子の場合は150ピコ秒で最初のサドルフォームに緩和されます。

光応答性モヤードからの電子回折ピークは、UVパルス放射の500ピコ秒後に得られたパターンから初期回折パターンを差し引くことにより、長い炭素鎖が支配的な長いパターンから抽出されました。正と負のピークは、照射後500ピコ秒での構造的特徴の形成と損失をそれぞれ示していました。新しい秩序構造の形成は、光励起の約200ピコ秒後に始まり、積み重ねられた分子の最初のサドル形態への緩和と一致しました。

300ピコ秒のタイムスケールでのpi-piのスタッキング順序の喪失は、300〜1000ピコ秒の寿命を持つ少数のフラットコンフォーマーに起因し、立体障害を最小限に抑えるためにねじれました。この手法のアイデアを思いついたのは、電子回折パターンが良好でないため、通常は回折時間で調べることのできない液晶について議論したときでした。私たちの方法論により、液晶回折パターンの変化を特定することができ、重要な構造情報や超高速の分子ダイナミクスにアクセスすることができます。

これらのテクニックを習得すると、適切に実行されれば半日で完了できます。これらの技術は、より複雑な生体材料の構造と超高速ダイナミクスに関するさらなる疑問に答えるために使用できる可能性があります。