胡坡同学在全息存储材料研究中取得新进展
光致聚合物全息存储材料的性能不足，是制约全息存储技术应用的关键。胡坡等人通过结合自由基聚合和超分子化学技术，把富勒烯(C60)引入到菲醌掺杂聚甲基丙烯酸甲酯(PQ/PMMA)光聚合物当中，制备了新型纳米粒子共混聚合物C60-PQ/PMMA。 实验发现C60可以显著提高PQ/PMMA光聚合物的强度全息衍射效率和感光灵敏度(信号和参考相干光垂直于入射面偏振，即SS)，但它降低了PQ/PMMA光致聚合物的偏振灵敏度，导致正交偏振全息性能显著减弱(信号和参考相干光束分别垂直于入射面和平行于入射面偏振，即SP)，如图1(a)和(b)所示。 |
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| 图1 (a) 不同C60掺杂浓度的强度全息衍射效率(红线)和光灵敏度(黄色柱)。(b) 不同偏光夹角条件下PQ/PMMA和C60-PQ/PMMA (1×10-3 wt%)光致聚合物的衍射效率和相应的相对变化率(灰色柱)。信号(红色)和参考(绿色)的偏振方向，以及相应参考光束中s-pol与p-pol的强度比 |
如图2(a-d)所示，通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和凝胶色谱（GPC）分析测试发现，C60即不参与MMA的热聚合过程，也不会与光敏剂PQ分子在激光照射下直接产生化学反应，同时C60的加入对PQ/PMMA材料在532 nm以上波长的光吸收也没有较大影响。然而，拉曼光谱（Raman）分析表明，C60与PQ之间存在较强的π-π相互作用。 |
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| 图2 (a) 紫外可见吸收光谱。(b) 傅里叶变换红外光谱。(c) 凝胶渗透色谱。(d) 拉曼光谱 |
此外，如图3(a)所示，通过核磁共振波谱13C分析测试发现，C60与PQ之间的π-π相互作用在材料热聚合反应和光反应的整个过程当中一直存在。并且，在PMMA聚合物环境当中，这种相互作用相比于只有C60和PQ存在时明显增强，在PQ与PMMA发生光反应之后，该相互作用稍有降低。结合相位延迟度的测试发现，由于C60与PQ之间强烈的π-π相互作用，PQ分子的在偏振光照射下的偏转将会受到限制，进一步影响了C60-PQ/PMMA材料的光致双折射，从而导致C60-PQ/PMMA材料的相位延迟度比PQ/PMMA发生明显的降低(~49%，532 nm)。 |
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| 图3 (a) 核磁共振13C谱。(b) 相位延迟度 |
同时，分析了C60-PQ/PMMA材料的布拉格角偏移量，发现材料旋转5°相应的布拉格角0级衍射峰中心点仅仅偏移了0.005°，计算得到其光致收缩仅为0.1%，结果如图4(a)所示。根据布拉格角主峰的宽度，尝试了多角度复用的光栅记录实验，实现了高达321个可分辨光栅的全息记录，结果如图4(b)所示。 |
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| 图4 (a) 0.5 mm厚C60-PQ/PMMA材料的布拉格角偏移量。(b) 1.5 mm厚C60-PQ/PMMA材料的角度复用结果。(c) 白光照射下1.5 mm厚C60-PQ/PMMA材料的光栅衍射 |
综合以上研究结果，本工作首次提出了C60对PQ/PMMA光致聚合物偏振灵敏度影响的微观物理机制，并首次构建了PQ光敏剂取向与PQ/PMMA光致聚合物偏振灵敏度之间的结构-性能关系，结果图5所示。 |
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| 图5 C60-PQ/PMMA材料的光反应过程的微观机理图 |
相关成果以“Impact of Fullerene on the Holographic Properties of PQ/PMMA Photopolymer”为题目被国际权威期刊《Composites Science and Technology》（一区Top，IF=8.528）接收。发表在Composites Science and Technology, Vol.221, 109335 (2022)上。陈宇昕同学作为共同第一作者参与了部分研究工作。 论文的相关链接：https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2022.109335 |
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(2022.02.09)
