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Chemistry

Photoresponsive तरल क्रिस्टल के संरचनात्मक गतिशीलता को देख के लिए उपंयास तकनीक

Published: May 29, 2018 doi: 10.3791/57612
Automatic Translation
1, 2, 3, 4, 1, 3, 4
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

Summary

यहां, हम समय के अंतर का पता लगाने के विश्लेषण के प्रोटोकॉल प्रस्तुत-हल अवरक्त कंपन स्पेक्ट्रोस्कोपी और इलेक्ट्रॉन विवर्तन जो एक स्तंभ में photoexcited अणुओं के आसपास स्थानीय संरचनाओं के विकृतियों की टिप्पणियों को सक्षम लिक्विड क्रिस्टल, संरचना और इस photoactive सामग्री की गतिशीलता के बीच संबंधों पर एक परमाणु परिप्रेक्ष्य दे रही है ।

Abstract

हम इस लेख में चर्चा तरल क्रिस्टल (LC) चरण में अणुओं के प्रायोगिक माप समय का उपयोग कर-हल अवरक्त (IR) कंपन स्पेक्ट्रोस्कोपी और समय-हल इलेक्ट्रॉन विवर्तन । तरल क्रिस्टल चरण बात की एक महत्वपूर्ण राज्य है कि ठोस और तरल चरणों के बीच मौजूद है और यह प्राकृतिक प्रणालियों में आम के रूप में के रूप में अच्छी तरह से कार्बनिक इलेक्ट्रॉनिक्स में है । तरल क्रिस्टल झुकाव का आदेश दिया लेकिन शिथिल पैक कर रहे हैं, और इसलिए, आंतरिक संरचनाओं और एलसी के आणविक घटकों के संरेखण बाहरी उत्तेजनाओं द्वारा संशोधित किया जा सकता है । हालांकि उंनत समय-हल विवर्तन तकनीक से पता चला है picosecond पैमाने पर आणविक गतिशीलता एकल क्रिस्टल और polycrystals, पैकिंग संरचनाओं और नरम सामग्री की ultrafast गतिशीलता के प्रत्यक्ष प्रेक्षणों है धुंधला द्वारा बाधा विवर्तन पॅटर्न. यहां, हम रिपोर्ट समय-हल आईआर कंपन स्पेक्ट्रोस्कोपी और इलेक्ट्रॉन diffractometry एक स्तंभ नियंत्रण रेखा एक photoactive कोर moiety असर सामग्री के ultrafast स्नैपशॉट प्राप्त करने के लिए । समय-हल आईआर कंपन स्पेक्ट्रोस्कोपी और इलेक्ट्रॉन विवर्तन के संयोजन के अंतर का पता लगाने के विश्लेषण निस्र्पक संरचनाओं और नरम सामग्री की photoinduced गतिशीलता के लिए शक्तिशाली उपकरण हैं ।

Introduction

लिक्विड क्रिस्टल (एलसी) कार्यों की एक किस्म है और व्यापक रूप से वैज्ञानिक और तकनीकी अनुप्रयोगों में प्रयोग किया जाता है1,2,3,4,5,6। एलसी के व्यवहार के लिए उनके उन्मुखीकरण आदेश के साथ ही उनके अणुओं की उच्च गतिशीलता के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है. lc सामग्री की एक आणविक संरचना आम तौर पर एक mesogen कोर और लंबे समय लचीला कार्बन श्रृंखला है कि नियंत्रण रेखा के अणुओं की उच्च गतिशीलता सुनिश्चित की विशेषता है । बाहरी उत्तेजनाओं के तहत7,8,9,10,11,12,13,14,15 , जैसे कि प्रकाश, बिजली के खेतों, तापमान परिवर्तन, या यांत्रिक दबाव, छोटे अंतर और नियंत्रण रेखा के अणुओं की आणविक गति के कारण कठोर संरचनात्मक प्रतिक्रमण प्रणाली में, अपने कार्यात्मक व्यवहार करने के लिए अग्रणी । lc सामग्री के कार्यों को समझने के लिए, यह महत्वपूर्ण है कि lc चरण में आणविक पैमाने संरचना का निर्धारण और आणविक संरचनाओं और पैकिंग विकृतियों की प्रमुख गति की पहचान ।

एक्स-रे विवर्तन (XRD) आमतौर पर नियंत्रण रेखा सामग्री16,17,18की संरचनाओं का निर्धारण करने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण के रूप में कार्यरत है । हालांकि, विवर्तन एक कार्यात्मक उत्तेजनाओं से उत्पंन पैटर्न-उत्तरदायी कोर अक्सर लंबे कार्बन श्रृंखला से एक व्यापक हेलो पैटर्न से छुपा है । इस समस्या का एक प्रभावी समाधान समय-समाधान विवर्तन विश्लेषण द्वारा प्रदान किया गया है, जो photoexcitation का उपयोग करके आणविक गतिशीलता की प्रत्यक्ष टिप्पणियों को सक्षम करता है. इस तकनीक से पहले और photoexcitation के बाद प्राप्त विवर्तन पैटर्न के बीच मतभेदों का उपयोग photoresponsive खुशबूदार moiety के बारे में संरचनात्मक जानकारी अर्क । इन मतभेदों को दोनों पृष्ठभूमि शोर को दूर करने के लिए और सीधे ब्याज की संरचनात्मक परिवर्तन का पालन करने का मतलब प्रदान करते हैं । अंतर विवर्तन पैटर्न का विश्लेषण अकेले photoactive moiety से संग्राहक संकेत पता चलता है, जिससे गैर विवर्तन कार्बन श्रृंखला से बचके photoresponsive को छोड़कर । अंतर विवर्तन विश्लेषण की इस पद्धति का वर्णन हाडा, एम. एट अल19में प्रदान की जाती है ।

समय-हल विवर्तन माप परमाणु पुनर्व्यवस्थाओं कि सामग्री20,21,22,23में चरण संक्रमण के दौरान होने के बारे में संरचनात्मक जानकारी प्रदान कर सकते हैं, 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29 और अणुओं के बीच रासायनिक प्रतिक्रियाओं30,31,३२,३३,३४। मन में इन आवेदनों के साथ, उल्लेखनीय प्रगति ultrabright और ultrashort के विकास में किया गया है-स्पंदित एक्स-रे३५,३६ और इलेक्ट्रॉन३७,३८,३९ , ४० स्रोत । हालांकि, समय-हल विवर्तन केवल सरल, पृथक अणुओं या एकल या पाली-क्रिस्टल, जिसमें उच्च का आदेश दिया अकार्बनिक जाली या कार्बनिक अणुओं के लिए लागू किया गया है अच्छी तरह से हल विवर्तन संरचनात्मक प्रदान पैटर्न का उत्पादन जानकारी. इसके विपरीत, और अधिक जटिल नरम सामग्री के संरचनात्मक विश्लेषण ultrafast क्योंकि उनके कम आदेश दिया चरणों की बाधा है । इस अध्ययन में, हम समय का उपयोग-हल इलेक्ट्रॉन विवर्तन के रूप में अच्छी तरह से क्षणिक अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी और समय हल अवरक्त (आईआर) कंपन स्पेक्ट्रोस्कोपी photoactive एलसी सामग्री की संरचनात्मक गतिशीलता की विशेषता के लिए इस का उपयोग प्रदर्शन विवर्तन-निकाली कार्यप्रणाली19.

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Protocol

1. समय-हल अवरक्त कंपन स्पेक्ट्रोस्कोपी

  1. नमूना तैयारी
    1. हल: भंग π-विस्तारित cyclooctatetraene (π-खाट) अणुओं के साथ dichloromethane में उचित एकाग्रता (1 mmol/
    2. LC चरण: एक कैल्शियम फ्लोराइड पर π-खाट पाउडर पिघल (सीएएफ2) सब्सट्रेट १०० डिग्री सेल्सियस के तापमान पर गर्म थाली का उपयोग कर । एक कमरे के तापमान पर नमूना ठंडा ।
      नोट: हम एक सामग्री (सीएएफ2 या बेरियम फ्लोराइड (बाफ2)) है कि मध्य आईआर रेंज में पारदर्शी है चुनने की जरूरत है ।
  2. उपकरण सेटिंग-अप
    1. टाइटेनियम सफायर (Ti: नीलमणि) लेजर और चूं पल्स एम्पलीफायर पर स्विच करें । थर्मल उन्हें कई घंटे के लिए स्थिर ।
    2. सुनिश्चित करें कि संरेखण सही हैं । बिजली और पराबैंगनी (यूवी) पंप और मध्य आईआर जांच और फिर से ऑप्टिकल पथ यदि आवश्यक संरेखित की स्थिरता की जांच करें । समय-हल अवरक्त स्पेक्ट्रोस्कोपी का ऑप्टिकल सेटअप चित्रा 5में प्रदान किया गया है ।
    3. HgCdTe IR डिटेक्टर सरणी तरल नाइट्रोजन का उपयोग कर शांत । सुनिश्चित करें कि स्पेक्ट्रोमीटर ठीक से स्थित है ताकि प्रकाश की उचित मात्रा ब्याज की श्रेणी में पाया जाता है । polystyrene या पॉलीथीन terephthalate के रूप में अच्छी तरह से ज्ञात सामग्री के अवशोषण स्पेक्ट्रा का उपयोग स्पेक्ट्रोमीटर जांचना ।
    4. नमूना धारक पर बड़ी तस्वीर प्रेरित क्षणिक प्रतिक्रिया (Si वेफर (1 मिमी) या फिर (bpy) (CO)3Cl/CH3CN समाधान) से पता चलता है जो एक नमूना माउंट । एक सकारात्मक मूल्य के लिए पंप की जांच देरी का पता लगाने और पंप जांच ओवरलैप सुनिश्चित करने के लिए पंप बीम सरगर्मी से क्षणिक संकेत की राशि का अनुकूलन ।
    5. लंबे समय तक रेंज स्कैन पंप पर लेने-जांच देरी घर का उपयोग कार्यक्रम बनाया (चित्रा 6) का प्रयोग करके मूल सेटिंग का पता लगाएं । स्थिति जहां क्षणिक संकेत उभरने के लिए शुरू की जांच करें ।
    6. फिर से (bpy) (co)3Cl जिसका द्विध्रुवीय क्षणों ओर्थोगोनल में खींच सह के सममित और विरोधी सममित कंपन की गतिशीलता की जांच करें । ध्यान दें कि दोनों बिल्कुल एक ही गतिशीलता जब जादू कोण हालत ठीक से मुलाकात की है दिखाना चाहिए ।
  3. माप और डेटा प्राप्ति
    1. समाधान: घर में निर्मित फ्लो सेल माउंट । सेटअप निष्क्रिय गैस के साथ bubbling डिवाइस (नाइट्रोजन (एन2) या आर्गन (Ar)) यदि आवश्यक हो तो । LC चरण: मोटर चालित मंच पर सब्सट्रेट के साथ स्पिन लेपित π-खाट नमूना माउंट लेजर प्रेरित नुकसान को कम करने के लिए नमूना पर लेजर स्पॉट लगातार ले जाने के लिए ।
    2. नमूना के साथ समय शून्य स्थिति Doublecheck.
    3. पंप की स्कैन रेंज सेट-जांच देरी ठीक से (शुरू, अंत, और कदम) ।
    4. डेटा सहेजने के लिए कोई निर्देशिका चुनें ।
    5. होम-बिल्ट प्रोग्राम के साथ डेटा संग्रह प्रारंभ करें ।
      नोट: डेटा स्वचालित रूप से निर्देशिका में रिकॉर्ड किए जाते हैं ।

2. समय-संकल्पित इलेक्ट्रॉन विवर्तन

  1. नमूना सब्सट्रेट का निर्माण
    1. एक सिलिकॉन खरीद (001) वेफर (२०० µm मोटी), दोनों पक्षों जिनमें से पूर्व 30 एनएम-मोटी सिलिकॉन युक्त सिलिकॉन नाइट्राइड (एसआई3एन4, या बस पाप) फिल्म (चित्रा 11ए) के साथ कवर कर रहे हैं । कट पाप वर्ग में/Si/पाप वेफर (15 × 15 मिमी2) ।
    2. विकीर्ण के साथ Ar क्लस्टर आयन मुस्कराते हुए४१ २.५ × 1016 आयनों के प्रवाह पर/2 /एक धातु मास्क (आंकड़ा 12), हालांकि पाप वेफर के पक्षों में से एक पर जो 30 समुद्री मील की मोटी सिन फिल्म निकालने के लिए पर्याप्त है (चित्रा 11 ख, ग) ।
      नोट: एक वैकल्पिक विधि पाप फिल्म हटाने के लिए प्लाज्मा नक़्क़ाशी या आयन मुस्कराते हुए नक़्क़ाशी है ।
    3. पोटेशियम हीड्राकसीड (KOH) जलीय समाधान 28% की एकाग्रता पर तैयार करें ।
    4. 1-2 दिनों के लिए 60-70 ° c के तापमान पर KOH समाधान में वेफर रखो (चित्रा 11डी), जो आगे आइसोट्रोपिक रासायनिक नक़्क़ाशी४२के माध्यम से एसआई वेफर के नक़्क़ाशी प्रदर्शन ।
      नोट: KOH समाधान द्वारा एसआई के लिए नक़्क़ाशी दर बहुत तेजी से है कि पाप के लिए है, तो पाप तनु फिल्म आत्म समर्थन झिल्ली (चित्र 11ई) के रूप में रहता है ।
    5. जल में पाप झिल्ली के साथ वेफर साफ और नाइट्रोजन गैस के साथ सूखी ।
  2. नमूना तैयारी
    1. 10 मिलीग्राम/एमएल की एकाग्रता पर क्लोरोफॉर्म में π-खाट अणुओं को भंग ।
    2. कार्यक्रम स्पिन-कोट: 5 एस में २००० rpm को तेजी लाने, 30 एस के लिए रोटेशन रखने के लिए, और रोटेशन बंद करो । स्पिन-कोट पाप झिल्ली सब्सट्रेट पर π खाट समाधान के रूप में चित्रा 11एफमें दिखाया गया है ।
      नोट: स्पिन के लिए एक उचित वेफर आकार-कोटिंग से अधिक होना चाहिए 10 × 10 मिमी2, सतह तनाव के बाद से कभी-कभार छोटे वेफर्स पर सामग्री की स्पिन कोटिंग के साथ हस्तक्षेप, उदाहरण के लिए, संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी के लिए एक पाप झिल्ली ग्रिड.
    3. १०० ° c के तापमान पर एक चूल्हा पर पाप झिल्ली सब्सट्रेट पर लेपित नमूना रखो, इसे पिघला, और धीरे से कमरे के तापमान (चित्रा 11जी) के लिए इसे शांत ।
  3. माप
    1. एक पेंच के साथ नमूना धारक पर नमूना माउंट और वैक्यूम चैंबर (नमूना चैंबर) में नमूना धारक डाल दिया ।
    2. सील एक ढक्कन के साथ वैक्यूम चैंबर और एक रोटरी पंप पर स्विच करने के लिए कम से १००० फिलीस्तीनी अथॉरिटी के एक निर्वात स्तर तक चैंबर खाली । फिर, आणविक टर्बो पंपों पर इलेक्ट्रॉन तक स्विच-गन चैंबर ~ 10 के निर्वात स्तर पर है-6 फिलीस्तीनी अथॉरिटी (आमतौर पर अधिक से अधिक 12 घंटे के लिए) ।
    3. तिवारी पर स्विच: नीलमणि लेजर और कलरव पल्स एंपलीफायर, और थर्मल उंहें 1 से अधिक एच के लिए स्थिर । समय-संकल्पित इलेक्ट्रॉन विवर्तन का प्रायोगिक सेटअप चित्रा ९में प्रदान किया गया है. ५०० हर्ट्ज के लिए पुनरावृत्ति दर निर्धारित करें ।
    4. चार्ज-युग्मित डिवाइस (सीसीडी) कैमरे की थ्रिलर पर स्विच करें और इसे 10 डिग्री सेल्सियस तक ठंडा करें ।
    5. विद्युत बिजली की आपूर्ति पर स्विच और ७५ केवी के लिए वोल्टेज को समायोजित ।
      नोट: बिजली की आपूर्ति के रिसाव वर्तमान ०.१ µA रेंज से बाहर नहीं उतार चढ़ाव चाहिए ।
    6. विशेष ओवरलैप । प्रयोगशाला-कोडित स्वचालित प्रोग्राम (चित्र 10A) खोलें और एक्सपोज़र समय (५० ms) सेट करें । एक नमूना धारक में सुसज्जित pinhole के साथ इलेक्ट्रॉन बीम स्थिति का पता लगाएं, Z-अक्ष और Y_overlap के ओवरलैप के लिए Z_overlap के लिए प्रारंभ प्रकार सेट करके प्रोग्राम का उपयोग कर और प्रारंभ बटन दबाने ।
    7. pinhole स्थिति में इलेक्ट्रॉन बीम सेट और pinhole द्वारा प्रतिबिंबित पंप प्रकाश के साथ पंप लेजर संरेखित करें ।
    8. एक अकार्बनिक सामग्री के साथ समय शूंय की स्थिति को मापने (द्वि2ते3) नमूना धारक पर एक प्रयोगशाला-कोडित स्वत: कार्यक्रम का उपयोग कर (चित्रा 10बी) की स्थापना द्वारा समय के लिए शुरू प्रकार -हल और दबाव प्रारंभ बटन । इस प्रक्रिया के लिए, पंप को समायोजित करने के लिए 2 माइकल/
    9. इलेक्ट्रॉन बीम के दर्रे में फैराडे कप डालें और एक प्रयोगशाला के साथ इलेक्ट्रॉन बीम के प्रवाह को मापने-picoammeter बनाया और जांच लाइन पर समायोज्य एन डी फिल्टर घूर्णन द्वारा इसे समायोजित करें । पम्प लाइन पर waveplate को घुमाकर पम्प पल्स के thefluence को एडजस्ट करें ।
    10. नमूना स्थिति में ले जाएँ और सीसीडी कैमरे के जोखिम समय निर्धारित किया है । एकल और दबाने प्रारंभ बटन के लिए प्रारंभ प्रकार सेट करके प्रयोगशाला-कोडेड स्वचालित प्रोग्राम (चित्रा 10बी) का उपयोग कर इलेक्ट्रॉन विवर्तन छवि प्राप्त करें ।
    11. सीसीडी कैमरे के Peltier तत्व पर स्विच करें और यह ठंडा-20 डिग्री सेल्सियस के तापमान के लिए नीचे ।
    12. समय-समाधान माप के लिए चरणों की समय-चरण और संख्या सेट करें । समय-संकल्पित इलेक्ट्रॉन विवर्तन छवियों का उपयोग कर प्रयोगशाला-कोडित स्वत: कार्यक्रम (चित्रा 10बी) को समय-समाधान और दबाने प्रारंभ बटन को प्रारंभ प्रकार सेट करके प्राप्त करें.
    13. इलेक्ट्रॉन त्वरण बिजली की आपूर्ति के साथ समय-हल पृष्ठभूमि छवि प्राप्त करें प्रयोगशाला का उपयोग बंद स्विचन-कोडित स्वचालित कार्यक्रम (चित्रा 10बी) की स्थापना प्रारंभ प्रकार से समय-हल और प्रारंभ बटन दबा रहा है ।

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Representative Results

हम एक काठी के आकार का π-खाट कंकाल४३,४४ नियंत्रण रेखा के अणु के एक photoactive कोर इकाई के रूप में चुना है, क्योंकि यह एक अच्छी तरह से परिभाषित स्तंभ स्टैकिंग संरचना रूपों और क्योंकि केंद्रीय आठ सदस्यीय खाट अंगूठी को दिखाने की उंमीद है photoinduced एक सपाट फार्म में उत्तेजित राज्य खुशबूदार19,४५के कारण में गठन परिवर्तन । इस सामग्री की सिंथेटिक प्रक्रिया पिछले प्रकाशन19में प्रदान की जाती है । संश्लेषित LC अणु एक π-खाट कोर इकाई और एक ठेठ वृक्ष कार्बन श्रृंखला moiety४६,४७, सी२०४एच३२४एन4ओ12एस के आणविक सूत्र के साथ4 से बना है ( चित्र 1) । सामग्री तापमान को नियंत्रित करने के बिना प्रदर्शन किया जा करने के लिए नियंत्रण रेखा चरण के संरचनात्मक विश्लेषण सक्षम है, जो कमरे के तापमान पर एक स्तंभ नियंत्रण रेखा चरण दर्शाती है । चित्र 2 घन Kα विकिरण का उपयोग करके प्राप्त की गई नियंत्रण रेखा के XRD प्रतिमान को दिखाता है । स्पेक्ट्रम में, कई चोटियों कम विवर्तन कोण पर दिखाई (2θ < 10 °; डी > ८.८ Å), एक व्यापक विवर्तन कोण पर एक व्यापक चोटी के साथ (2θ ≈ 20 °; घ ≈ ४.४ Å) । नियंत्रण रेखा संरचना एक आयताकार स्तंभ फार्म के रूप में विशेषता है, जिसमें काठी अणुओं एक दूसरे के ऊपर संरेखित करें । XRD विश्लेषण एक = ६२ å और b = ४२ å के जाली मापदंडों झुकेंगे । c-अक्ष के साथ स्टैक्ड स्तंभ में आणविक दूरी एक व्यापक विवर्तन पीक से वृक्ष कार्बन श्रृंखला moiety से आरंभ होकर छिप गई थी । यह स्थिति ठेठ स्तंभ एलसी सामग्री के लिए काफी आम है ।

स्तंभ एलसी सामग्री के photoinduced गतिशीलता अलग टाइमस्केल पर संरचनात्मक गति के एक अनुक्रम से मिलकर बनता है । पहला, एक गठन परिवर्तन आणविक स्तर पर होता है. यह स्थानीय पैकिंग संरचना है कि π-स्टैक्ड स्तंभों में photoexcited अणुओं के आसपास जगह ले के विकृति के बाद है । हम पहले विभिंन पंप और π-खाट अणु की पतली फिल्मों पर जांच ऊर्जा के साथ परिवर्तनीय संचरण स्पेक्ट्रोस्कोपी प्रदर्शन, ऑप्टिकल उत्तेजना और संबद्ध photoinduced गतिशीलता की पुष्टि करने के लिए । क्षणिक अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी समय का पारंपरिक प्रकार है-हल स्पेक्ट्रोस्कोपी, जो इन दिनों व्यावसायिक रूप से उपलब्ध है । एक चूं-पल्स एम्पलीफायर से एक १०० एफएस ऑप्टिकल पल्स पंप और जांच मुस्कराते हुए अलग किया जाता है । ८०० एनएम के एक तरंग दैर्ध्य में पंप बीम (पंप पल्स) में पल्स दो बीटा बेरियम बोराटे (BBO) क्रिस्टल द्वारा २६६ एनएम तरंग दैर्ध्य के फोटॉनों में परिवर्तित हो जाता है । जांच बीम (जांच पल्स) में पल्स सफेद प्रकाश (500-700 एनएम) उत्पन्न करने के लिए एक नीलमणि खिड़की के माध्यम से केंद्रित है । दो ऑप्टिकल पल्स जुड़े-सिलिका लेंस का उपयोग कर नमूना पर ध्यान केंद्रित कर रहे हैं, और संचरित सफेद जांच बीम स्पेक्ट्रोमीटर द्वारा फैलाया जाता है और एक एसआई photodiode के साथ पता चला. घटना हमारे प्रयोगों में इस्तेमाल किया पंप बीम के प्रवाह 1 माइकल/ नमूना थोक सीएएफ के एक सब्सट्रेट पर फैला हुआ था2, एक गर्म थाली पर 100 डिग्री सेल्सियस पर पिघला, और फिर कमरे के तापमान के लिए फिर धीरे ठंडा । थोक बाफ2 और सीएएफ2 सब्सट्रेट १५० एनएम से 12 µm और १३० एनएम से 10 µm, क्रमशः तरंग दैर्ध्य सीमा से अधिक पारदर्शी हैं । इन सामग्रियों की औसत दर्जी तरंग दैर्ध्य रेंज नमूना और सब्सट्रेट की मोटाई के रूप में के रूप में अच्छी तरह से IR प्रकाश की तीव्रता पर निर्भर करता है ।

चित्र 3 एक पंप और ४.७ ev और लगभग २.१ ev (२६६ और 500-700 एनएम के तरंग दैर्ध्य), क्रमशः की जांच ऊर्जा पर क्षणिक दिखाई संप्रेषण दिखाता है । एक अणु है कि यूवी प्रकाश अवशोषित तुरंत एक दूर से संतुलन राज्य (एस के लिए उत्साहित हैएन) और 2 पुनश्च के भीतर एस1 राज्य के लिए स्थानांतरण, के रूप में चित्रा 3बीमें दिखाया गया है । एक बार एस1 या टी1 राज्य में, अणु 20 या १५० पुनश्च में एस0 राज्य को रिटर्न (चित्रा 4) । हालांकि, अणुओं की एक छोटी सी अनुपात में 1 से अधिक एनएस के लिए उत्साहित राज्य में रहता है । हम निंनलिखित समीकरण के साथ क्षणिक संप्रेषण सज्जित:

Δt/t = a1exp (-t / τ1) + A2 exp (- T / τ2 ) + A3, (1)

जहां पहली और दूसरी शर्तों τ1 = 20 पी एस और τ2 = १५० पी एस के समय-स्थिरांक के साथ घातीय क्षय संकेत मिलता है । तीसरे शब्द भी अब टाइमस्केल (> 500 ps) के क्षय का सुझाव ।

photoinduced गठन परिवर्तन की पुष्टि करने के लिए, हम नियंत्रण रेखा के चरण में π-खाट पतली फिल्म पर समय-हल आईआर कंपन स्पेक्ट्रोस्कोपी प्रदर्शन किया । २६६ एनएम और मध्य अवरक्त (आईआर) की तरंग दैर्ध्य पर यूवी पंप के प्रायोगिक सेटअप 1050-1700 सेमी की तरंग दैर्ध्य पर जांच-1 समय-हल आईआर कंपन स्पेक्ट्रोस्कोपी४८,४९,५०,५१ चित्रा 5में दिखाया गया है । प्रयोगशाला-कोडेड स्वचालित प्रोग्राम का ग्राफ़िकल यूज़र इंटरफ़ेस चित्रा 6में दिखाया गया है । माप समाधान में π-खाट अणुओं के लिए संचरण मोड में प्रदर्शन कर रहे थे (1 mmol/एल CH2सीएल2 में विलायक) और नियंत्रण रेखा के लिए एक सीएएफ2 सब्सट्रेट पर लेपित चरण । एक के पास-IR ऑप्टिकल पल्स (८०० एनएम), १२० एफएस की एक पल्स अवधि के साथ, पंप और जांच बीम में एक बीम अलगानेवाला के साथ अलग किया गया था । पंप पल्स दो BBO क्रिस्टल और एक केल्साइट क्रिस्टल के माध्यम से एक यूवी (२६६ एनएम) पल्स में परिवर्तित किया गया था । जांच पल्स की एक बीम मध्य IR तरंग दैर्ध्य (1000-4000 सेमी-1) एक ऑप्टिकल पैरामीट्रिक एक अंतर आवृत्ति पीढ़ी क्रिस्टल, AgGaS2से सुसज्जित एंपलीफायर का उपयोग करके परिवर्तित किया गया था । यूवी पंप और मिड-आईआर जांच करने वाली दालें लेंस के साथ नमूने पर ध्यान केंद्रित कर रही थीं । पंप और जांच बीम की घटनाओं के कोण लगभग सीधा नमूना की सतह के लिए सेट किया गया । दोहराव दर और घटना यूवी पंप पल्स के प्रवाह को ५०० हर्ट्ज और 1 एम. एम./ व्यापक बैंडविड्थ जांच पल्स एक कद्दूकस करके फैलाया गया था और फिर एक ६४ चैनल द्वारा अधिग्रहीत किया गया, HgCdTe IR डिटेक्टर सरणी. सिलिकॉन के ultrafast इलेक्ट्रॉनिक रिस्पांस का इस्तेमाल "समय-शून्य"५२ निर्धारित करने के लिए किया गया था जब पंप और जांच दालों के नमूने की स्थिति में एक साथ पहुंचते हैं । नमूना धारकों के विभिंन प्रकार के समाधान में और नियंत्रण रेखा के चरण में नमूनों को मापने के लिए इस्तेमाल किया गया । नियंत्रण रेखा सीएएफ पर लेपित2 सब्सट्रेट एक सरल ऑप्टिकल एक मोटर चालित राज्य पर घुड़सवार धारक पर एक क्लैंप द्वारा आयोजित किया गया था । मोटर की अवस्था लेजर के सापेक्ष नमूना ले जाया गया पंप के साथ बेतुका जगह ध्यान केंद्रित जांच माप लेजर प्रेरित नुकसान को कम करने के लिए । इसके विपरीत, समाधान में नमूना एक प्रयोगशाला में पेश किया गया था तरल प्रवाह सेल दो बाफ2 खिड़कियों से सुसज्जित, नमूना के माध्यम से १०० µm के एक ऑप्टिकल पथ लंबाई के साथ । तरल प्रवाह सेल एक बंद पाश एक डायाफ्राम पंप द्वारा आपूर्ति की प्रणाली है ।

मनाया IR-काठी और फ्लैट संरचनाओं में सक्रिय मोड घनत्व के अनुसार आवंटित किया गया कार्यात्मक-सिद्धांत (DFT) आवृत्ति गणना । DFT परिकलनों का विवरण मुख्य पाठ में और पिछले प्रकाशन की अनुपूरक सामग्रियों में19प्रदान किया गया है । जिसके परिणामस्वरूप समय-समाधान स्पेक्ट्रा planar π-खाट इकाई के आणविक कंपन मोड के विकास को प्रदर्शित करती है । चित्रा 7 १०० पी एस की एक देरी समय में अंतर कंपन स्पेक्ट्रम से पता चलता है, गणना टी1-s0 विभेदक कंपन स्पेक्ट्रम है, जो से एस0 में काठी के रूप में स्पेक्ट्रम की कमी से प्राप्त किया गया था के साथ टी1में फ्लैट के फार्म पर स्पेक्ट्रम । आंकड़ा दिखाता है कि प्रायोगिक आंकड़ों और गणना मोटे तौर पर एक दूसरे के साथ समझौते में हैं । बेहतर समझौते टी1-एस एस1-एस0 स्पेक्ट्रम के साथ तुलना में0 स्पेक्ट्रम के साथ प्राप्त किया गया था, हालांकि दोनों एस1 और टी1 अनुकूलित संरचनाओं इसी तरह के फ्लैट अनुरूप प्रदर्शन । photoexcitation के बाद, हम कंपन स्पेक्ट्रा में कई चोटियों मनाया । ११८३, १३३८ और १४८९ सेमी-1 के wavenumbers पर विशेषता चोटियों खाट और thiazole के छल्ले या biphenyl moieties है, जो कमजोर या गैर IR-के रूप में कर रहे है के खींच मोड के अनुरूप है एस में काठी के रूप में0 लेकिन जोरदार-IR-सक्रिय टी1में फ्लैट के रूप में । १३३८ सेमी पर पीक तीव्रता के समय निर्भर विकास-1 परिवर्तनीय दिखाई संचरण स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग कर मनाया उन लोगों के लिए गतिशीलता समान पता चलता है. इस प्रकार, आणविक स्तर पर photoinduced गतिशीलता एक काठी से विशेषता-को π-खाट इकाई के फ्लैट गठन परिवर्तन 2 पी एस के भीतर, 10-20 ps या १५० पुनश्च में प्रारंभिक काठी फार्म को वापस छूट के बाद (चित्रा 8) । समय-हल आईआर स्पेक्ट्रा भी Eq के साथ लगे थे. (1). समय के अनुसार-आईआर पीक तीव्रता (१३३५ सेमी-1) के विकास के समाधान में π-खाट से (चित्रा 8बी), केवल तेजी से समय लगातार (10-20 ps) मनाया गया । इसलिए, चित्रा 3बी और चित्रा 8बी में तेजी से समय लगातार मनाया अलग अणुओं है, जो आम तौर पर सतह या नियंत्रण रेखा सामग्री के इंटरफेस पर स्थित हैं की छूट गतिशीलता से मेल खाती है ।

सघन नियंत्रण रेखा चरण में photoexcited अणुओं के स्थानों पर पैकिंग विकृति की जांच करने के लिए, हम समय-हल इलेक्ट्रॉन विवर्तन माप प्रदर्शन किया । कॉंपैक्ट, प्रत्यक्ष-वर्तमान (DC) त्वरित इलेक्ट्रॉन विवर्तन माप५३,५४ के लिए कार्यरत प्रायोगिक सेटअप चित्रा 9में दिखाया गया है । प्रयोगशाला कोड वाले स्वचालित प्रोग्राम के ग्राफिकल यूजर इंटरफेस चित्रा 10में दिखाए जाते हैं । नमूना तैयारी की प्रक्रिया चित्र 11में संक्षेप में है, और नमूना फिल्म मोटाई एकल-तरंग दैर्ध्य (६३५ एनएम) ellipsometer के साथ निर्धारित किया गया था ~ १०० एनएम, जहां पद्धति हाडा, एम. एट अलमें प्रदान की जाती है । ५५. क्लस्टर आयन बीम विकिरण के लिए प्रयुक्त धातु मास्क का विस्तार चित्र 12में प्रदान किया गया है ।

एक के पास-IR ऑप्टिकल पल्स (८०० एनएम) १२० एफएस की नब्ज अवधि के साथ दो मुस्कराते हुए एक बीम अलगानेवाला के साथ अलग किया गया था: पंप बीम और जांच बीम । पंप बीम में लगभग IR पल्स यूवी (२६६ एनएम) पल्स में परिवर्तित किया गया था दूसरी-हार्मोनिक पीढ़ी (स्वसहायता) एक BBO क्रिस्टल में एक केल्साइट क्रिस्टल के बाद का उपयोग कर, और एक और BBO क्रिस्टल द्वारा तीसरे के लिए हार्मोनिक उत्पादन (THG). केल्साइट क्रिस्टल के लिए मौलिक प्रकाश और स्वसहायता समूहों प्रकाश के आगमन के समय इतना है कि वे THG के लिए दूसरी BBO क्रिस्टल में एक साथ आने को समायोजित किया जाता है । पंप पल्स एक से जुड़े सिलिका लेंस द्वारा ध्यान केंद्रित है photoexcite के लिए ~ १०० π के एनएम मोटी फिल्म नियंत्रण रेखा के चरण में खाट अणु । जांच बीम में लगभग IR पल्स इसी तरह एक यूवी पल्स में बदल गया था और एक सोने photocathode पर ध्यान केंद्रित करने के लिए एक इलेक्ट्रॉन पल्स उत्पंन किया गया । यूवी के लिए इलेक्ट्रॉनों उत्पंन करने के लिए इस्तेमाल किया पल्स एक 25 मिमी मोटी से जुड़े-सिलिका प्लेट की एक अवधि के लिए बढ़ाया गया था > 500 एफएस । समय के लिए इस्तेमाल किया निर्वात चैंबर-हल इलेक्ट्रॉन विवर्तन दो भागों में अलग किया गया था, यानी, बंदूक चैंबर और नमूना चैंबर. photocathode और इलेक्ट्रोड इलेक्ट्रॉन में रखा गया था ~ 10-6 फिलीस्तीनी अथॉरिटी के एक निर्वात स्तर पर बंदूक चैंबर, और नमूना नमूना कक्ष में ~ 10-4 pa के एक निर्वात स्तर पर रखा गया था । इलेक्ट्रॉन पल्स ७५ की एक ऊर्जा के लिए त्वरित था एक डीसी फील्ड द्वारा कीव । इलेक्ट्रॉनों कि diffracted थे और सीधे नमूने के माध्यम से प्रेषित एक 1:2 फाइबर पर एक चुंबकीय लेंस के साथ ध्यान केंद्रित कर रहे थे-युग्मित सीसीडी कैमरा एक P43 के साथ लेपित (Gd2O2S:Tb) फॉस्फोरस. पंप और जांच दालों के बीच समय देरी पंप बीम में एक ऑप्टिकल राज्य द्वारा विविध था ।

पंप यूवी पल्स और जांच इलेक्ट्रॉन पल्स के स्थान आकार २१० और १०० µm, क्रमशः, एक चाकू बढ़त का उपयोग करने के लिए मापा गया था । घटना लेजर प्रवाह था १.२ माइकल/ संचरण और नमूने के भावना से मापा करने के लिए ४०% और 30%, क्रमशः, अवशोषण प्रवाह करने के लिए निर्धारित किया गया था ०.३६/ सामग्री के अंदर Photoinduced संरचनात्मक परिवर्तन इलेक्ट्रॉन 2 × 104 इलेक्ट्रॉनों (3 एफसी) युक्त दालों के साथ जांच की गई । समय-शून्य एक अकार्बनिक सामग्री के ultrafast-परमाणु प्रतिक्रिया से निर्धारित किया गया था (द्वि2ते3)५६. इलेक्ट्रॉन बीम की नाड़ी अवधि एक प्लाज्मा विधि५७द्वारा 1 ps के आदेश पर होना निर्धारित किया गया था । सीसीडी कैमरे में Qमान और पिक्सेल आकार के बीच के संबंध को भी (११०) और (३००) द्वि2ते3से विवर्तन धब्बे का उपयोग करने पर तुले हुए थे । एक इलेक्ट्रॉन-विवर्तन छवि, 1 × 104 इलेक्ट्रॉन दालों का अधिग्रहण ५०० हर्ट्ज की पुनरावृत्ति दर पर एकत्र किए गए । पाप झिल्ली की गुणवत्ता उसके इलेक्ट्रॉनक विवर्तन पैटर्न से निर्धारित होती है, यानी, इलेक्ट्रॉन विवर्तन पैटर्न को पाप झिल्ली से नहीं मनाया जा सकता क्योंकि यह अमली (फिगर १३ए) है.

LC पतली फिल्म से दो आयामी इलेक्ट्रॉन विवर्तन पैटर्न एक बीमार परिभाषित दिखाया, व्यापक हेलो लंबी कार्बन चेन (चित्रा 13बी), व्यापक XRD पीक के समान से उद्भव की अंगूठी विवर्तन कोण पर मनाया 2θ ≈ 20 °. यह व्यापक हेलो, जो आम तौर पर नियंत्रण रेखा सामग्री में मनाया जाता है, लंबे कार्बन श्रृंखला और कार्यात्मक कोर moiety (चित्रा 14) से उद्भव कुछ चोटियों द्वारा उत्पादित विवर्तन चोटियों की एक संख्या से बना है । photoirradiation के रूप में बाहरी उत्तेजनाओं, के तहत, संरचनात्मक विकृति उत्तेजनाओं-उत्तरदायी कोर moieties के आसपास प्रेरित कर रहे हैं, और विवर्तन पैटर्न में चोटी के मॉडुलन बाद में होता है । प्रारंभिक विवर्तन पैटर्न से कि प्राप्त ५०० पुनश्च यूवी पल्स विकिरण के बाद घटाकर, हम यूवी विकिरण द्वारा प्रेरित संग्राहक विवर्तन पैटर्न निकाल सकते हैं । जिसके परिणामस्वरूप अंतर विवर्तन पैटर्न अच्छी तरह से स्पष्ट रूप से चौकस नकारात्मक और सकारात्मक छल्ले के साथ परिभाषित किया गया है (चित्रा 13सी), पीक मॉडुलन की छोटी मात्रा के बावजूद । मूल संरचना से नकारात्मक चोटियों photoirradiation पर गायब हो जाते हैं, जबकि सकारात्मक चोटियों नए आदेश दिया संरचना के गठन का संकेत मिलता है ।

यूवी पल्स विकिरण के बाद-५० और ५०० पुनश्च में अंतर विवर्तन पैटर्न के रेडियल औसत चित्रा 15एमें प्रस्तुत कर रहे हैं । नकारात्मक चोटियों को ०.२४५ å-1 और ०.२७० å-1के क्षमूल्यों पर विकसित करने के लिए मनाया जाता है । आणविक गतिशीलता (MD) सिमुलेशन का उपयोग करते हुए, हम चित्रा 15बीमें दिखाया अंतर इलेक्ट्रॉन विवर्तन पैटर्न की गणना की । एमडी गणना का विवरण मुख्य पाठ और संदर्भ 19 की अनुपूरक सामग्री में प्रदान की जाती हैं । प्रायोगिक आंकड़ों के एमडी सिमुलेशन के लिए फिटिंग पता चलता है कि, photoexcitation से पहले, संरचना ४.५५ å और ३.७ å के आवधिक लंबाई थी π-खाट अणुओं सी धुरी के साथ और π के बीच की दूरी के लिए इसी-खड़ी biphenyl इकाइयों, क्रमशः । यह भी उल्लेख है कि इसी गतिशीलता समय का उपयोग कर मनाया जाता है लायक है-हल इलेक्ट्रॉन विवर्तन । समय-नकारात्मक और सकारात्मक विवर्तन चोटियों की तीव्रता के विकास में दिखाया गया है चित्रा 16. π-π स्टैकिंग ऑर्डर का विनाश ३०० ps के एक टाइमस्केल पर होता है और यह आणविक ढांचे के काठी-से-सपाट गठन परिवर्तन से भी धीमी है । सकारात्मक चोटी (०.३७ Å-1में) photoexcitation के बाद २०० पी एस बढ़ाने के लिए शुरू होता है ।

समय-समाधान स्पेक्ट्रोस्कोपी और विवर्तन की आगे की व्याख्या के लिए, नमूने के photoexcitation स्तर को संबोधित किया जाना चाहिए । घटना फोटॉनों की संख्या का उपयोग करना (१.२//मुख्यमंत्री2) और इकाई क्षेत्र प्रति अणुओं की संख्या, हम गणना की है कि लगभग 25% अणुओं यूवी प्रकाश को अवशोषित और संभावित काठी करने वाली फ्लैट गठन परिवर्तन से गुजरना । के रूप में क्षणिक संचरण स्पेक्ट्रोस्कोपी और समय-हल आईआर कंपन स्पेक्ट्रोस्कोपी, सबसे photoexcited अणुओं १५० पी एस में प्रारंभिक राज्य के लिए आराम से दिखाया गया है, लेकिन कुछ अणुओं की बजाय नियंत्रण रेखा के चरण में धीमी गतिशीलता का प्रदर्शन किया । विशेष रूप से, photoexcited अणुओं के 7-8%, सामग्री में सभी अणुओं की सबसे अधिक 2% से कम, 300-1000 पी एस के लिए फ्लैट अनुरूप में बनी हुई है । इस प्रकार, इन photoexcited चपटा अणुओं उत्साहित काठी के आकार के अणुओं के बीच सैंडविच थे । खड़ी कॉलम में बाद पैकिंग विकृतियों का पता लगाने के लिए, हम आगे एमडी गणना प्रदर्शन किया, पांच खड़ी काठी के आदेश-काठी-फ्लैट काठी काठी के साथ व्यवस्थित अणुओं पर विचार । स्तंभ संरचना में, काठी-फ्लैट एक photoexcited अणु के गठन के परिवर्तन के लिए पड़ोसी अणुओं के कठोर biphenyl भागों के खिलाफ महत्वपूर्ण steric reलैबोरेटरी लाती है । steric बाधा से बचने के लिए, स्थानीय संरचनात्मक विकृति ~ ३०० पी एस के एक टाइमस्केल पर खड़ी अणुओं में घुमा गति ट्रिगर ।

चित्रा 17में, हम π-खाट अणुओं की photoinduced गतिशीलता के लिए हमारे निष्कर्षों को संक्षेप । यूवी photoexcitation टी1 या photoresponsive कोर के एस1 में कुछ picoseconds के भीतर एक काठी करने वाली फ्लैट गठन परिवर्तन चलाता है । फ्लैट के अधिकांश आकार, इलेक्ट्रॉनिक उत्तेजित अणु 20 पी एस के भीतर (अलग अणुओं के लिए) या १५० पुनश्च (खड़ी अणुओं के लिए) अपने मूल रूपों के लिए आराम करो । हालांकि, एक छोटा सा प्रतिशत एलसी चरण में रहते हैं, काठी के आकार के अणुओं के बीच सैंडविच । स्तंभ पैकिंग संरचना में अलग आकार के अणुओं के बीच steric प्रभाव के कारण, घुमा गति ३०० पुनश्च के भीतर हो, स्थानीय स्टैकिंग संरचना को नष्ट करने और एक नई आवधिक निर्माण ।

Figure 1
चित्रा 1: π-खाट आधारित LC अणु की रासायनिक संरचना । π-खाट आधारित LC अणु का आणविक फार्मूला सी२०४एच३२४एन4ओ12एस4 एक आणविक वजन के साथ ३१५३.०३ है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 2
चित्रा 2: स्थैतिक XRD स्पेक्ट्रम । X-ray विवर्तन प्रतिमान कई चोटियों को प्रदर्शित करता है, जैसा कि लाल तीरों द्वारा दर्शाया गया है । लाल तीर से संकेत उन की चोटी काम हाडा, एम. एट अलकी अनुपूरक सामग्री में दिखाए जाते हैं । 19. नीला कंबल π-खाट अणु के (001) चोटी इंगित करता है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 3
चित्र 3 : परिवर्तनीय संचरण स्पेक्ट्रम के समय विकास । (क) बढ़ती संकेत घटक 2 पुनश्च की एक बार लगातार है, और (ख) छूट समय स्थिरांक 20 और १५० पी एस रहे हैं। यह आंकड़ा हाडा, एम. एट अलसे अनुकूलित किया गया है । 19. इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें ।

Figure 4
चित्र 4 : योजनाबद्ध ऊर्जा π-खाट कोर इकाई के गठन परिवर्तन के आरेख । एक काठी (एस0) से एक फ्लैट (एस1 या टी1) संरचना में गतिशील संक्रमण परिवर्तनीय संचरण स्पेक्ट्रम से निर्धारित होता है। कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 5
चित्रा 5: समय के लिए प्रयोगात्मक सेटअप दिखा योजनाबद्ध आरेख-हल आईआर कंपन स्पेक्ट्रोस्कोपी. एक तिवारी: नीलमणि थरथरानवाला ८०० एनएम के एक तरंग दैर्ध्य, १२० एफएस की नाड़ी अवधि, ~ 10 एनजे और ८० मेगाहर्ट्ज की पुनरावृत्ति दर की शक्ति के साथ एक IR पल्स उत्पंन करता है । एक चूं पल्स एम्पलीफायर ~ 4 माइकल और 1 kHz की पुनरावृत्ति दर के साथ एक शक्ति के लिए इस पल्स प्रवर्धित. प्रतीकों बी एस, λ/2, BBOs और केल्साइट, और ओडीएल बीम अलगानेवाला, λ/2 waveplate, BBO और केल्साइट क्रिस्टल और ऑप्टिकल विलंब रेखा, क्रमशः प्रतिनिधित्व करते हैं । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 6
चित्रा 6: प्रयोगशाला के ग्राफिक यूजर इंटरफेस समय के लिए बनाया कार्यक्रम-हल आईआर कंपन स्पेक्ट्रोस्कोपी. (A) देरी के लिए सेटिंग इकाइयां. (ख) HgCdTe अवरक्त स्पेक्ट्रोमीटर के लिए नियंत्रण पैनल । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 7
चित्रा 7: टीime-एक π-खाट आधारित नियंत्रण रेखा पतली फिल्म के हल आईआर स्पेक्ट्रोस्कोपी । (A, B) अवकलन IR कंपन स्पेक्ट्रम गणना अंतर कंपन स्पेक्ट्रम (टी1-S0) की तुलना में १०० पुनश्च की एक समय देरी के साथ मापा । परिकलित स्पेक्ट्रम के लिए स्केलिंग फ़ैक्टर ०.९७ है । (ग) टी1 स्पेक्ट्रम के लिए कंपन पीक असाइनमेंट । चोटियों खाट और thiazole के छल्ले, alkoxy समूह या biphenyl समूह के कंपन मोड के रूप में वर्गीकृत कर रहे हैं । यह आंकड़ा हाडा, एम. एट अलसे अनुकूलित किया गया है । 19. इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें ।

Figure 8
चित्र 8 : IR पीक तीव्रता के समय विकास । (क) प्रतिनिधि wavenumbers को एलसी चरण में १३३८ सेमी-1 और (बी) १३३५ सेमी-1 में समाधान चरण में हैं. फास्ट (20 पी एस) और धीमी (१५० ps) समय-स्थिरांक अलग अणुओं में और नियंत्रण रेखा में अणु में मनाया गतिशीलता के लिए समान हैं । काले डॉट्स और लाल ठोस लाइनों प्रयोगात्मक डेटा और फिट घातीय Eq द्वारा दिए गए घटता प्रतिनिधित्व करते हैं । (1), क्रमशः । आंकड़ों के इनसेट में प्रत्येक चित्रा withlogarithmic प्रदर्शन के बढ़े हुए विचारों का प्रतिनिधित्व करते हैं । यह आंकड़ा हाडा, एम. एट अलसे अनुकूलित किया गया है । 19. इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें ।

Figure 9
चित्रा 9: समय के लिए प्रयोगात्मक सेटअप के योजनाबद्ध चित्रण-संकल्पित इलेक्ट्रॉन विवर्तन. एक चूं पल्स एम्पलीफायर ८०० एनएम के एक तरंग दैर्ध्य, १२० एफएस की नाड़ी अवधि, ~ २.५ एम एम की शक्ति, और 1 kHz की पुनरावृत्ति दर के साथ एक ऑप्टिकल पल्स उत्पन्न करता है. प्रतीकों BBOs और केल्साइट, एफएस, और एफसी BBO और केल्साइट क्रिस्टल का प्रतिनिधित्व करते हैं, सिलिका से जुड़े, और फैराडे टोपी, क्रमशः । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 10
चित्र 10: समय के लिए कार्यक्रम के ग्राफिक उपयोगकर्ता इंटरफ़ेस-हल इलेक्ट्रॉन विवर्तन । (एक) विशेष ओवरलैप के लिए जीयूआई । छवि क्षेत्र pinhole के माध्यम से पारित इलेक्ट्रॉन बीम से पता चलता है । ग्राफिक क्षेत्र pinhole पदों के एक समारोह के साथ इलेक्ट्रॉन बीम तीव्रता से पता चलता है । Z-अक्ष और Y-अक्ष नमूना धारक (और pinhole) द्वारा सुसज्जित चरणों स्वचालित रूप से ले जाने और इलेक्ट्रॉन बीम की तीव्रता की साजिश रची है जब एक प्रारंभ प्रकार का चयन करता है Z_overlap और Y_overlapके रूप में, और उसके बाद प्रारंभ बटन । (ख) समय के लिए जीयूआई-हल इलेक्ट्रॉन विवर्तन माप । छवि क्षेत्र इलेक्ट्रॉन विवर्तन पैटर्न से पता चलता है । ऑप्टिकल विलंब लाइन के मंच स्वचालित रूप से चलता है, और इलेक्ट्रॉन विवर्तन पैटर्न प्राप्त कर रहे है जब एक समय-हलके रूप में प्रारंभ प्रकार का चयन करता है, और फिर प्रारंभ बटन दबाएं । स्थैतिक विवर्तन भी एकल और प्रारंभ बटन दबाने के रूप में प्रारंभ प्रकार का चयन करने के साथ प्राप्त की है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 11
चित्र 11: प्रोटोकॉल एक पाप झिल्ली बनाने के लिए । (क) Si वेफर दोनों पक्षों पर एक पाप पतली फिल्म के साथ लेपित है । (ख, ग) एक Ar क्लस्टर आयन बीम का उपयोग विकिरण वेफर के एक तरफ पाप तनु फिल्म निकालता है । (घ) एक KOH समाधान के साथ नक़्क़ाशी Si । (ङ) नमूना सब्सट्रेट के लिए पाप झिल्ली. (च) नमूना समाधान सब्सट्रेट के सामने की ओर पर लेपित स्पिन है । (छ) सब्सट्रेट पर नमूना १०० ° c करने के लिए गर्म है और कमरे के तापमान के लिए नीचे ठंडा है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 12
चित्र 12: धातु मास्क के डिजाइन । मेटल मास्क स्टेनलेस स्टील से बना है । छेद का आकार (d: १.१ mm) विंडो के आकार द्वारा निर्धारित किया जाता है (डब्ल्यू: ०.५ mm) और वेफर की मोटाई (l: ०.३ mm) के समीकरण के बाद d = डब्ल्यू + 2एल। एसआई वेफर्स के आइसोट्रोपिक नक़्क़ाशी के कारण गोल-आकार के छिद्रों से चौकोर आकार की खिड़कियां बनाई जा सकती हैं । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 13
चित्रा 13: एक π-खाट आधारित नियंत्रण रेखा पतली फिल्म से इलेक्ट्रॉन विवर्तन पैटर्न । (क) पाप झिल्ली सब्सट्रेट से इलेक्ट्रॉन विवर्तन पैटर्न. (ख) photoexcitation के बिना π-खाट-आधारित एलसी तनु फिल्म से इलेक्ट्रॉन विवर्तन पैटर्न. (ग) अंतर विवर्तन पैटर्न fromπ-खाट-आधारित एलसी तनु फिल्म के साथ और photoexcitation के बिना प्राप्त की । स्केन बारों के आंकड़े में इनसेट होते हैं । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 14
चित्र 14 : अंतर विवर्तन विधि का एक योजनाबद्ध । (क) photoresponsive moieties से शिखरों को लंबी कार्बन श्रृंखलाओं से व्यापक हेलोन पैटर्न में दफनाया जाता है. (ख) अन्तर विवर्तन विधि photoresponsive moieties से चोटियों का पता लगा सकती है. कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 15
चित्रा 15: Ultrafast समय-संकल्पित इलेक्ट्रॉन विवर्तन एक π-खाट-आधारित एलसी तनु फिल्म से । (क) अंतर इलेक्ट्रॉन विवर्तन पैटर्न पर-५० और ५०० ps. लाल और नीले तीर क्रमशः सकारात्मक और नकारात्मक चोटियों को इंगित करते हैं । (ख) एक स्तंभ π-स्टैक्ड संरचना के एक MD गणना के आधार पर अनुकरणीय विभेदक इलेक्ट्रॉन विवर्तन पैटर्न । यह आंकड़ा हाडा, एम. एट अलसे अनुकूलित किया गया है । 19. इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें ।

Figure 16
चित्रा 16: इलेक्ट्रॉन विवर्तन चोटियों के समय विकास. (क) ०.२४५ å-1 और (ख) ०.३७ å-1का Qमान । यहाँ, Q-मान जाली दूरी (d) की पारस्परिक संख्या के रूप में परिभाषित किया गया है । त्रुटि पट्टियां 20 माप का मानक विचलन प्रस्तुत करते हैं । यह आंकड़ा हाडा, एम. एट अलसे अनुकूलित किया गया है । 19. इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें ।

Figure 17
चित्रा 17: photoexcited स्तंभ नियंत्रण रेखा के संरचनात्मक गतिशीलता । स्तंभ एलसी संरचना की गतिशीलता समय-हल आईआर कंपन स्पेक्ट्रोस्कोपी और समय हल इलेक्ट्रॉन विवर्तन का उपयोग कर मनाया गया । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

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Discussion

समय के दौरान प्रक्रिया का महत्वपूर्ण कदम-हल इलेक्ट्रॉन विवर्तन मापन उच्च वोल्टेज बनाए रखने है (७५ कीव) वर्तमान उतार-चढ़ाव के बीच के बाद से photocathode और anode प्लेट के बीच की दूरी केवल ~ 10 मिमी है. यदि वर्तमान ०.१ µA की सीमा के ऊपर उतार चढ़ाव से पहले या प्रयोगों के दौरान, त्वरण वोल्टेज को बढ़ाने के लिए ९० कीव के निर्वहन और इसे फिर से सेट करने के लिए ७५ कीव. यह कंडीशनिंग प्रक्रिया ०.१ µA की सीमा में वर्तमान में उतार-चढ़ाव तक किया जाना है । पर्याप्त अचालक शक्ति के साथ इलेक्ट्रॉन स्रोत का उचित डिजाइन इस तरह की मशीन विकसित करने के लिए सबसे महत्वपूर्ण बिंदु है ।

सामांय में, समय-हल आईआर कंपन स्पेक्ट्रोस्कोपी और समय-हल इलेक्ट्रॉन विवर्तन तकनीक केवल सामग्री है कि photoinduced संरचनात्मक परिवर्तन से गुजरना के लिए लागू किया जा सकता है । हालांकि, इन तकनीकों को नरम सामग्री पर संरचनात्मक गतिशीलता का पालन करने के लिए महान लाभ है क्योंकि इलेक्ट्रॉन जांच अधिक प्रकाश तत्वों के पदों के प्रति संवेदनशील है (कार्बन, ऑक्सीजन, नाइट्रोजन, हाइड्रोजन, आदि) एक्स-रे जांच से, और क्योंकि मध्य IR जांच तरंग दैर्ध्य के अंय रेंज के साथ प्रकाश की तुलना में प्रकाश तत्वों के बीच बांड के कंपन मोड के लिए और अधिक संवेदनशील है ।

सारांश में, समय-हल आईआर कंपन स्पेक्ट्रोस्कोपी और इलेक्ट्रॉन diffractometry के संयोजन के अंतर का पता लगाने के विश्लेषण संरचनाओं की प्रत्यक्ष टिप्पणियों और नियंत्रण रेखा सामग्री की गतिशीलता प्रदान कर सकते हैं । इस दृष्टिकोण और अधिक आम तौर पर लागू किया जा सकता है जटिल नरम पदार्थ प्रणालियों में उत्तेजनाओं की स्थानीय संरचनात्मक गति, कोशिका झिल्ली प्रोटीन के रूप में इस तरह के निर्धारित करने के लिए, ultrafast संरचनात्मक गतिशीलता के विज्ञान के लिए एक नई दिशा का सुझाव ।

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Disclosures

लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

हम टोक्यो प्रौद्योगिकी संस्थान में समय-हल आईआर कंपन स्पेक्ट्रोस्कोपी माप और प्रो. एम. के लिए धंयवाद और dr. K. Matsuo नागोया विश्वविद्यालय में XRD माप के लिए डॉ. हम भी धंयवाद नागोया विश्वविद्यालय में प्रोफेसर एस यामागुची, काइल विश्वविद्यालय में प्रो आर Herges और संरचना और मूल्यवान चर्चा के लिए मामले की गतिशीलता के लिए मैक्स प्लैंक संस्थान में प्रो. जे. डी. मिलर ।

यह काम जापानी विज्ञान प्रौद्योगिकी द्वारा समर्थित है (JST), सफ़ाई, परियोजनाओं के वित्तपोषण के लिए "आणविक प्रौद्योगिकी और नए कार्यों के सृजन" (JPMJPR13KD, JPMJPR12K5, और JPMJPR16P6 की अनुदान संख्या) और "प्रकाश ऊर्जा के रासायनिक रूपांतरण". यह काम भी आंशिक रूप से JSPS अनुदान संख्या JP15H02103, JP17K17893, JP15H05482, JP17H05258, JP26107004, और JP17H06375 द्वारा समर्थित है ।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Chirped pulse amplifier Spectra Physics Inc. Spitfire ACE For time-resolved IR vibration spectroscopy
Chirped pulse amplifier  Spectra Physics Inc. Spitfire XP For time-resolved electron diffractometry
Femtosecond laser Spectra Physics Inc. Tsunami For time-resolved IR vibration spectroscopy
Femtosecond laser Spectra Physics Inc. Tsunami For time-resolved electron diffractometry
Optical parametric amplifier Light Conversion Ltd. TOPAS prime
64-channel mercury cadmium tellurium IR detector array Infrared Systems Development Corporation FPAS-6416-D
FT-IR spectrometer Shimadzu Corporation IR Prestige-21
High voltage supply Matsusada precision HER-100N0.1
Rotary pump Edwards RV12
Molecular turbo pumps Agilent Technologies Japan, Ltd. Twis Torr 304FS
Vacuum gauges Pfeiffer vacuum systems gmbh PKR251 For ICF70 flange
Vacuum monitors Pfeiffer vacuum systems gmbh TPG261
Fiber coupled CCD camera Andor Technology Ltd. iKon-L HF
BaF2 and CaF2 substrates Pier optics Thickness 3 mm
AgGaS2 crystal Phototechnica Corporation Custom-order
BBO crystals Tokyo Instruments, Inc. SHG θ=29.2 deg
THG θ=44.3 deg
calcite crystals Tokyo Instruments, Inc. Thickness 1mm
Optical mirrors Thorlabs PF10-03-F01
PF10-03-M01
UM10-45A		 Al coat mirrors
Au coat mirrors
Ultrafast mirrors
Optical mirrors HIKARI,Inc. Broadband mirrors
Dichroic mirrors HIKARI,Inc. Custom-order
Reflection: 266 nm
Transmission: 400, 800 nm
Optical chopper Newport Corporation 3501 optical chopper
Optical shutters Thorlabs Inc. SH05/M
SC10
Optical shutters SURUGA SEIKI CO.,LTD. F116-1
Beam splitters Thorlabs Inc. BSS11R
Fused-silica lenses Thorlabs Inc. LA4663
LA4184
BaF2 lens Thorlabs Inc. LA0606-E
Polarized mirrors Sigmakoki Co.,Ltd Custom-order
Designed for 800 nm
Reflection: s-polarized light
Transmission : p-polarized light
Half waveplate Thorlabs Inc. WPH05M-808
Mirror mounts Thorlabs Inc. POLARIS-K1
KM100		 Kinematic mirror mounts
Mirror mounts Sigmakoki Co.,Ltd MHAN-30M
MHAN-30S		 Gimbal mirror mounts
Mirror mounts Newport Corporation ACG-3K-NL Gimbal mirror mounts
Variable ND filters Thorlabs Inc. NDC-25C-2M
Beam splitter mounts Thorlabs Inc. KM100S
Lens mounts Thorlabs Inc. LMR1/M
Rotational mounts Thorlabs Inc. RSP1/M
Retroreflector Edmund Optics 63.5MM X 30" EN-AL 
spectrometers ocean photonics USB-4000
Power meter Ophir 30A-SH Used for intensity monitor of CPA
Power meter Thorlabs Inc. S120VC
PM100USB		 Used for intensity measurements of pump pulse
Photodiodes Thorlabs Inc. DET36A/M
DET25K/M
DC power supply TEXIO PW18-1.8AQ Used for magnetic lens
Magnetic lens Nissei ETC Co.,Ltd Custom-order
Stages Newport Corporation M-MVN80V6
LTAHLPPV6		 Used for magnetic lens
Stage controller Newport Corporation SMC100
Stages  Sigmakoki Co.,Ltd SGSP20-35(X)
SGSP20-85(X)		 Used for sample position
Stages  Sigmakoki Co.,Ltd SGSP26-200(X)
OSMS26-300(X)		 Used for delay time generator
Stage controller Sigmakoki Co.,Ltd SHOT-304GS
Picoammeter Laboratory built
spin coater MIKASA Co.,Ltd 1H-D7
hot plate IKA®  C-MAG HP7
SiN wafer Silson Ltd Custom-order
KOH aqueous solution (50%) Hiroshima Wako Co.,Ltd. 168-20455
Chloroform Hiroshima Wako Co.,Ltd. 038-18495
Dichloromethane Hiroshima Wako Co.,Ltd. 132-02456
Personal computers for the controlling programs Epson Corporate Endeavor MR7300E-L 32-bit operation system
Program for the control the equipment National Instruments Corporation Labview2016
Program for the data analysis The MathWorks, Inc. Matlab2015b

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Photoresponsive तरल क्रिस्टल के संरचनात्मक गतिशीलता को देख के लिए उपंयास तकनीक
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Hada, M., Saito, S., Sato, R.,… More

Hada, M., Saito, S., Sato, R., Miyata, K., Hayashi, Y., Shigeta, Y., Onda, K. Novel Techniques for Observing Structural Dynamics of Photoresponsive Liquid Crystals. J. Vis. Exp. (135), e57612, doi:10.3791/57612 (2018).

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