JPH02201320A - Organic nonlinear optical materials and their manufacturing method - Google Patents

Organic nonlinear optical materials and their manufacturing method

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JPH02201320A
JPH02201320A JP1950489A JP1950489A JPH02201320A JP H02201320 A JPH02201320 A JP H02201320A JP 1950489 A JP1950489 A JP 1950489A JP 1950489 A JP1950489 A JP 1950489A JP H02201320 A JPH02201320 A JP H02201320A
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JP
Japan
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nonlinear optical
optical material
organic nonlinear
organic
substrate
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JP1950489A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tetsuzo Yoshimura
徹三 吉村
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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Publication of JPH02201320A publication Critical patent/JPH02201320A/en
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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。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 〔概 要〕 縮合多環炭化水素からなる有機非線形光学材料に関し、 かかる材料の結晶界面において形成される2次元エキシ
トン(励起子)を有効に利用することを目的とし、 縮合多環炭化水素からなる有機非線形光学物質の複数層
がそれぞれ中間層を介して積層されているように構成す
る。
[Detailed Description of the Invention] [Summary] Regarding organic nonlinear optical materials made of condensed polycyclic hydrocarbons, the present invention aims to effectively utilize two-dimensional excitons (exciton) formed at crystal interfaces of such materials. A plurality of layers of an organic nonlinear optical material made of condensed polycyclic hydrocarbons are laminated with intermediate layers interposed therebetween.

〔産業上の利用分野〕[Industrial application field]

本発明は有機非線形光学材料に関し、さらに詳しく述べ
ると、特に例えばアントラセン、ナフタセンなどのよう
な縮合多環炭化水素からなる有機非線形光学材料、そし
てその製造方法に関する。
The present invention relates to an organic nonlinear optical material, and more particularly, to an organic nonlinear optical material made of a condensed polycyclic hydrocarbon such as anthracene, naphthacene, etc., and a method for producing the same.

本発明による非線形光学材料は、例えば、光−光素子用
材料などとして有利に利用することができる。
The nonlinear optical material according to the present invention can be advantageously used, for example, as a material for optical-optical devices.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

周知の通り、非線形光学材料は、電圧印加又はレーザ光
の強電界下で2次もしくは3次の非線形光学効果を示す
材料であり、また、現象面から、光周波数変換、光スイ
ッチング、光増幅等の多くの素子機能を奏するので、光
通信や光コンビ一一タなどの分野において基幹素材とし
て注目されている。従来の典型的な非線形光学材料は無
機系の材料であり、KDP、 LiNbO3,KNbO
,、LiTaD+などの結晶が公知である。1983年
ごろから、有機非線形光学材料の開発及び研究が活発に
行われている。これは、有機非線形光学材料が無機系材
料を上堰る特性を奏することが見い出されたからであり
、具体的には、例えば2次の非線形光学定数に関して見
た場合、分子レベルでは、1iNb03等の公知の無機
結晶に較べて2桁以上大きい定数を有するものが多数見
い出されたからである。代表的な有機非線形光学材料は
、MNA、 DAN、 MNMA、 NPP、  その
他である。
As is well known, nonlinear optical materials are materials that exhibit a second-order or third-order nonlinear optical effect when a voltage is applied or under a strong electric field of laser light, and from the viewpoint of phenomena, they can also be used for optical frequency conversion, optical switching, optical amplification, etc. Because it performs many element functions, it is attracting attention as a key material in fields such as optical communications and optical combiners. Conventional typical nonlinear optical materials are inorganic materials, such as KDP, LiNbO3, KNbO
, , LiTaD+ and the like are known. Since around 1983, development and research on organic nonlinear optical materials has been actively conducted. This is because it has been discovered that organic nonlinear optical materials exhibit characteristics superior to inorganic materials. Specifically, when looking at second-order nonlinear optical constants, for example, at the molecular level, 1iNb03 etc. This is because many crystals have been found to have constants that are two or more orders of magnitude larger than those of known inorganic crystals. Representative organic nonlinear optical materials include MNA, DAN, MNMA, NPP, and others.

ところで最近、アントラセン結晶の非線形光学結晶とし
ての有用性が注目されている。例えば、花村栄−1「非
線形光学結晶J 、Oplus B N(1103゜7
7〜85 (1988年6月)には、アントラセン結晶
はファン・デル・ワールスカで3次元的な結晶を形成す
るが、界面第1層、第2層面内には2次元的エキシトン
が形成され、また、それらのエキシトンの寿命はそれぞ
れ2ps以下(第1層)及び〜15ps(第2層)であ
り、第1層に局在する2次元エキシトンに共鳴する光に
よる3次の非線形分極率χ(3)は−1esuのオーダ
ーとなることが報告されている。
Incidentally, recently, the usefulness of anthracene crystals as nonlinear optical crystals has attracted attention. For example, Sakae Hanamura-1 “Nonlinear optical crystal J, Oplus B N (1103°7
7-85 (June 1988), anthracene crystals form three-dimensional van der Waalska crystals, but two-dimensional excitons are formed in the planes of the first and second layers at the interface. In addition, the lifetimes of these excitons are less than 2 ps (first layer) and ~15 ps (second layer), respectively, and the third-order nonlinear polarizability χ( 3) is reported to be on the order of -1 esu.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

アントラセン結晶は、しかし、バルク結晶の形で存在す
るので、これを非線形光学材料として使用すると、バル
クエキシトンの発光寿命である980psで応答が律速
されてしまい、2次元エキシトンを有効に利用できない
という問題がでてくる。
However, anthracene crystal exists in the form of a bulk crystal, so when it is used as a nonlinear optical material, the response is rate-limited by 980 ps, which is the emission lifetime of bulk excitons, and two-dimensional excitons cannot be used effectively. comes out.

本発明の目的は、したがって、アントラセン等の縮合多
環炭化水素からなる非線形光学材料の結晶界面において
形成される2次元エキシトン(励起子)を有効に利用す
ることにある。
Therefore, an object of the present invention is to effectively utilize two-dimensional excitons (exciton) formed at the crystal interface of a nonlinear optical material made of a condensed polycyclic hydrocarbon such as anthracene.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

上記した目的は、本発明によれば、縮合多環炭化水素か
らなる有機非線形光学物質の複数層がそれぞれ中間層を
介して積層されていることを特徴とする有機非線形光学
材料によって達成することができる。
According to the present invention, the above object can be achieved by an organic nonlinear optical material characterized in that a plurality of layers of organic nonlinear optical materials each made of a condensed polycyclic hydrocarbon are laminated with an intermediate layer interposed therebetween. can.

本発明では、非線形光学物質の層と中間層とが交互に積
層されて積層体を構成しており、また、その際、非線形
光学物質層の厚さは好ましくはその物質の分子に換算し
て5分子層以内である。この層の厚さは、一般に数人〜
数10人、好ましくは約5〜20八である。適当な非線
形光学物質としては、アントラセンのほか、アントラセ
ンと同様な分子性結晶を形成可能なもの、例えばナフタ
セン、ナフタレン、その他の炭化水素をあげることがで
き、また、場合によっては、例えば2−メチル−4−ニ
トロアニリンなどのような単環式炭化水素も有利に使用
することができる。
In the present invention, the layers of the nonlinear optical material and the intermediate layer are alternately laminated to form a laminate, and in this case, the thickness of the nonlinear optical material layer is preferably calculated in terms of molecules of the material. It is within 5 molecular layers. The thickness of this layer is generally several ~
Several tens of people, preferably about 5 to 208 people. In addition to anthracene, suitable nonlinear optical substances include those capable of forming molecular crystals similar to anthracene, such as naphthacene, naphthalene, and other hydrocarbons. Monocyclic hydrocarbons such as -4-nitroaniline and the like can also be used advantageously.

非線形光学物質層間に介在せしめられるべき中間層は、
それが所期の目的に悪影響を及ぼさない限り、いろいろ
な材料から形成することができ、また、その膜厚も所望
とする結果に応じているいろに変更することができる。
The intermediate layer to be interposed between the nonlinear optical material layers is
It can be formed from a variety of materials, as long as it does not adversely affect the intended purpose, and its thickness can vary depending on the desired result.

中間層として適当な材料としては、例えば、ポリメチル
メタクリレ−)  (PMM八)、  a−3iOx、
  a−3i、−、Nx0y、  ^RJ*、  フタ
ロシアニン、層状化合物(MoS、など) 、TiOx
MgF、、  ポリビニルアルコール(PVA)など、
多種多様の無機及び有機の絶縁体及び半導体をあげるこ
とができる。もしもアントラセン等が非線形光学物質と
して用いられていないのであるならば、これらの物質を
中間層で用いてもよい。
Suitable materials for the intermediate layer include, for example, polymethyl methacrylate (PMM8), a-3iOx,
a-3i, -, Nx0y, ^RJ*, phthalocyanine, layered compound (MoS, etc.), TiOx
MgF, polyvinyl alcohol (PVA), etc.
A wide variety of inorganic and organic insulators and semiconductors can be mentioned. If anthracene or the like is not used as a nonlinear optical material, these materials may be used in the intermediate layer.

さらに、本発明によれば、記載の有機非線形光学材料を
製造するに当って、非線形光学物質あるいはその前駆物
質を基板上に飛来させて有機非線形光学物質の層となす
こと、及び中間層を形成する物質あるいはその前駆物質
を基板上に飛来させて中間層となすこと、を交互に繰り
返すことを特徴とする、有機非線形光学材料の製法もま
た提供される。ここで、“前駆物質”とは、何らかの反
応の結果として最終的に有機非線形光学物質及び中間層
物質を導びくことかできる物質を指す。
Furthermore, according to the present invention, in producing the described organic nonlinear optical material, the nonlinear optical material or its precursor is caused to fly onto the substrate to form a layer of the organic nonlinear optical material, and an intermediate layer is formed. There is also provided a method for producing an organic nonlinear optical material, which is characterized by alternately repeating the steps of flying a substance or a precursor thereof onto a substrate to form an intermediate layer. Here, the term "precursor" refers to a substance that can ultimately lead to an organic nonlinear optical material and an intermediate layer material as a result of some reaction.

本発明の有機非線形光学材料が被着せしめられるべき基
板は、この技術分野において一般的に用いられている材
料から任意に選択して形成することができる。適当な基
板材料として、例えば、石英、ガラス、アルカリハライ
ド結晶、雲母、層状化合物(MoS2など)、その他を
あげることができる。
The substrate to which the organic nonlinear optical material of the present invention is to be deposited can be formed by selecting any material commonly used in this technical field. Suitable substrate materials include, for example, quartz, glass, alkali halide crystals, mica, layered compounds (such as MoS2), and others.

有機非線形光学材料の積層はいろいろな成膜法を用いて
行うことができる。適当な成膜法として、例えば、真空
下あるいは減圧下におけるMBE(molecular
 beam epitaxy)又はM B D (mo
lecularbeam deposition) 、
L B法などをあげることができる。なかんずく、有機
MBE (あるいはMBD)又は有機MBE (あるい
はMBD)と無機MBE (あるいはMBD)の折ちゅ
う方式が最適である。
Lamination of organic nonlinear optical materials can be performed using various film formation methods. As an appropriate film forming method, for example, MBE (molecular
beam epitaxy) or MBD (mo
regular beam position),
Examples include the LB method. Above all, the method of folding organic MBE (or MBD) or organic MBE (or MBD) and inorganic MBE (or MBD) is most suitable.

〔作 用〕[For production]

本発明による有機非線形光学材料では、有機非線形物質
が層状に積まれており、しかもそれぞれの層が1分子層
〜数分子層の厚さに設定されているので、各層の有機非
線形物質にはバルクエキシトンが存在せず、したがって
、2次元エキシトンのみが形成される。
In the organic nonlinear optical material according to the present invention, the organic nonlinear material is stacked in layers, and each layer is set to a thickness of one to several molecular layers, so the organic nonlinear material in each layer has a bulk. There are no excitons, so only two-dimensional excitons are formed.

〔実施例〕〔Example〕

第1図は、本発明による有機非線形光学材料の好ましい
一例を示した断面図である。
FIG. 1 is a sectional view showing a preferred example of the organic nonlinear optical material according to the present invention.

図示の非線形光学材料の場合、石英基板1上に、順次、
アントラセンからなる非線形光学物質層(膜厚約1OA
)2及びPMMAからなる中間層(膜厚約10人) 3
が積層されている。このような層構成とすると、実際に
、非線形光学物質層2のアントラセンにはバルクエキシ
トンが存在せず、したがって、応答速度15ps以下、
z” = 1esuの特性が得られる。また、図示しな
いけれども、必要に応じて、基板1と非線形光学物質層
2の中間に、例えばPVA、ポリイミドなどのようなバ
ッファ層を設けてもよい。
In the case of the illustrated nonlinear optical material, on the quartz substrate 1,
Nonlinear optical material layer made of anthracene (film thickness approximately 1OA)
) 2 and PMMA (film thickness approx. 10 layers) 3
are layered. With such a layer configuration, there is actually no bulk exciton in the anthracene of the nonlinear optical material layer 2, and therefore the response speed is 15 ps or less,
A characteristic of z'' = 1 esu is obtained. Although not shown, a buffer layer such as PVA, polyimide, etc. may be provided between the substrate 1 and the nonlinear optical material layer 2, if necessary.

第1図に示した非線形光学材料は、例えば、第2図にお
いて略示されるような有機薄膜作製装置を用いて成膜す
ることができる。図示の装置は、MBE装置であって、
反応室としての真空ベルジャ20を有する。真空ベルジ
ャ20内の基板10は、石英基板であって、基板ホルダ
8によって支承されるとともに、該ホルダ内を通過する
冷却液又はガス9によって所定の温度まで冷却される。
The nonlinear optical material shown in FIG. 1 can be formed using, for example, an organic thin film forming apparatus as schematically shown in FIG. 2. The illustrated device is an MBE device,
It has a vacuum bell jar 20 as a reaction chamber. The substrate 10 in the vacuum belljar 20 is a quartz substrate, supported by a substrate holder 8, and cooled to a predetermined temperature by a cooling liquid or gas 9 passing through the holder.

なお、ここで用いる冷却媒体は、冷却水のほかに液体窒
素、アルコーノへなどであってもよい。基板の温度調節
のため、ヒータ6も併用される。図示の通り、予め基板
8上に電極14を形成するとともに、基板8の前面にも
もう1つの電極(ここでは、グリッド7)を配置する。
Note that the cooling medium used here may be liquid nitrogen, alconium, etc. in addition to cooling water. A heater 6 is also used to adjust the temperature of the substrate. As shown in the figure, an electrode 14 is formed on the substrate 8 in advance, and another electrode (here, the grid 7) is arranged on the front surface of the substrate 8.

グリッド7は、多孔構造体、網目構造体などとするのが
有利である。
Advantageously, the grid 7 is a porous structure, a mesh structure or the like.

非線形光学物質層を形成するためのアントラセンを、K
セル(クヌーセンセルH5,16及び17から、シャッ
タ5で調節しつつ蒸発させて基板に飛来させる。第1の
非線形光学物質層を形成した後、第1の中間層を形成す
る。これは、真空ベルジャ20の外部のガスボンベ、ア
ンプルなどからのガス化したソース(ここでは、MMA
モノマー)をベルジャ内に導入して行う(図示せず)。
Anthracene for forming a nonlinear optical material layer is K
The cells (Knudsen cells H5, 16, and 17) are evaporated onto the substrate while being controlled by the shutter 5. After forming the first nonlinear optical material layer, the first intermediate layer is formed. Gasified sources from gas cylinders, ampoules, etc. outside the Belljar 20 (here, MMA
Monomer) is introduced into a bell jar (not shown).

このようにしてMMAモノマーを基板に飛来させかつ光
を基板に照射して中間層を作製する。光としては、光源
11からの光12、例えば可視光又は紫外線光を用いる
ことができる。13は窓である。
In this way, the MMA monomer is made to fly onto the substrate and the substrate is irradiated with light to produce an intermediate layer. As light, light 12 from a light source 11, for example visible light or ultraviolet light, can be used. 13 is a window.

光源11は、必要に応じて真空ベルジャ20内に配置す
ることもできる。モノマーは、Kセル15゜16及び1
7のいずれかに収容し、これをセル温度及びシャッタ5
で調節しつつ蒸発させてもよい。
The light source 11 can also be placed inside the vacuum bell jar 20 if necessary. The monomers were K cell 15°16 and 1
7 and store it in either cell temperature and shutter 5.
It may be evaporated while adjusting.

また、光照射は、定常的に行うか、モノマーの基板への
飛来と同時に行うか、又は間欠的に行う。
Further, the light irradiation is performed constantly, simultaneously with the monomer flying onto the substrate, or intermittently.

さらに、モノマーの飛来と光照射とを交互に行ってもよ
く、こうすることによって、重合反応をより完全に行う
ことができるであろう。
Furthermore, the monomer flying and light irradiation may be performed alternately, and by doing so, the polymerization reaction may be carried out more completely.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明によれば、非線形光学物質層(膜厚:1分子層〜
数分子層)と中間層を交互に積層したので、界面第1層
〜第n層の特性が顕著に生じるようになった。
According to the present invention, a nonlinear optical material layer (thickness: 1 molecule layer to
Since the interfacial layer (several molecular layers) and the intermediate layer were alternately laminated, the characteristics of the first to nth interfacial layers were clearly produced.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は、本発明による有機非線形光学材料の好ましい
一例を示した断面図、そして 第2図は、第1図に示した有機非線形光学材料を作製す
るのに用いた有機薄膜作製装置の略示図である。 図中、1は基板、2は非線形光学物質層、そして3は中
間層である。
FIG. 1 is a sectional view showing a preferred example of the organic nonlinear optical material according to the present invention, and FIG. 2 is a schematic diagram of an organic thin film manufacturing apparatus used to manufacture the organic nonlinear optical material shown in FIG. It is an illustration. In the figure, 1 is a substrate, 2 is a nonlinear optical material layer, and 3 is an intermediate layer.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、縮合多環炭化水素からなる有機非線形光学物質の複
数層がそれぞれ中間層を介して積層されていることを特
徴とする有機非線形光学材料。 2、請求項1に記載の有機非線形光学材料を製造するに
当って、非線形光学物質あるいはその前駆物質を基板上
に飛来させて有機非線形光学物質の層となすこと、及び
中間層を形成する物質あるいはその前駆物質を基板上に
飛来させて中間層となすこと、を交互に繰り返すことを
特徴とする、有機非線形光学材料の製法。
[Scope of Claims] 1. An organic nonlinear optical material characterized in that a plurality of layers of organic nonlinear optical substances each made of a condensed polycyclic hydrocarbon are laminated with an intermediate layer interposed therebetween. 2. In producing the organic nonlinear optical material according to claim 1, a nonlinear optical material or its precursor is flown onto a substrate to form a layer of the organic nonlinear optical material, and a material forming an intermediate layer. Alternatively, a method for producing an organic nonlinear optical material characterized by alternately repeating the process of flying the precursor onto a substrate to form an intermediate layer.
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