JPH02219031A - Lb膜の形成材料 - Google Patents

Lb膜の形成材料

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JPH02219031A
JPH02219031A JP4055389A JP4055389A JPH02219031A JP H02219031 A JPH02219031 A JP H02219031A JP 4055389 A JP4055389 A JP 4055389A JP 4055389 A JP4055389 A JP 4055389A JP H02219031 A JPH02219031 A JP H02219031A
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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。

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) この発明は、均質なL8膜を作製することが可能な新規
な材料に関するもので、特に非線形光学素子を構築する
ための極性構勇を有する有機薄膜構造体等を構成するし
B膜の作製に用いて好適な材料に閉するものである。
(従来の技術) 最近、系外からの入力光に対し、入力光以外の成分の光
を発生する物質がいわゆる非線形光学材料として注目さ
れている。これは、この種の材料が、振動数の異なる2
1Mの入射光の和の振動数の光を発生する光混合、入射
光が振動数のRなる2種の光となる光パラメトリック、
或いは入射光の二次または三次の高調波への変換(SH
G、THGと称される)など、光信号処理用材料として
重要な役割を演するからである。ざらにまたこの種の材
料が有するこのような性質が、光通信技術や光電子集積
回路(OEIC)技術の進歩に伴い実現されるであろう
光コンピュータの要素技術となると考えられているから
である。
このような非線形光学材料として有機物から成るものと
無機物から成るものとが知られているが、このうちの有
機物から成る非線形光学材料は、それの非線形性が分子
内容局在■電子に起因する電子分極であるために、無機
物から成る非線形光学材料に比し、速い応答や高い光学
破壊しきい値が得られると期待され、研究開発が活発に
進められている。
例えば、下記0式で示されるp−ニトロアニリン(以下
、p−NAと略称することもある。)は、■電子共役環
に電子供与性基(−NH2)及び電子吸引性基(−NO
□)が付与された構造を有し、分子の分極の大きざを示
す二次の非線形分子分極率βが大きな値を示すことが知
られている。
しかし、p−NAは、結晶状態が反転対称性を有する構
造であるために各分子の分極は打ち消し合うようになり
、このため、マクロな分極の大きざを示す二次の非線形
感受率X(2) はOとなってしまう、従って、p−N
Aは、第二次高調波発生(SHG)活性ではなかった。
そこで、各分子の分子分極が打ち消されないでマクロな
分極が残っている構造(極性構造)を確保するため、以
下に説明するような方法で分子をある一定の方向に配向
させp−NA分子の持つ分子分極を有効に利用し大きな
X(2)を実現することが試みられてきた。
その一つの方法は、p−NA分子の2位にメチル基を導
入しp−NA7a2−メチル−4−ニトロアニリン(以
下、MNAと略称することもある。)とすることである
、このMNA結晶は、対称中心を欠く構造になるので、
大きなSHGを発するようになる。MNAについでは、
例えば文献(ジャーナル 才ブ アプライド フィジッ
クス(J、Appl、Phys、) 50 (4) (
1979,4) pp、2523〜2527)に開示さ
れている。
他の方法は、高分子中にI)−NAを分散させ配向させ
る方法である。この方法の具体例としでは、例えば文献
(ポリマー ブリブリンツ、ジャパン(Polymer
 Preprints、Japan) 36 (8) 
(1987)pp、 2522〜2524  )に開示
されているものがあった。この文献に開示された方法に
よれば、ポリエチレンオキサイドにp−NA!分散させ
たものが、MNAのSHGの2.6倍の強度のSHGを
発すると云う。
また、ざらに別の方法は、p−NAに長鎖アルキル基を
導入し分子を両親媒性とすることでLB法による薄膜形
成を可能ならしめ、p−NAの分子分極の配向を制御し
て極性構造を有した有機薄膜を作製しようとするもので
あった。ここでLB法とは、薄膜化したい所望の分子を
水面上に展開し、或いは、この所望の分子と、成膜性を
良好にするための補助の分子とを混合したものを水面上
に展開し、展開された膜を基板に移し取ることで薄膜(
LB膜)を形成する方法である。
LB法による極性構造を有した薄膜の形成例としては、
下記0式で表されるN−ステアリル−pニトロアニリン
(以下、5t−pNAと略称する。)tLB膜形成材料
として用いた例かあった(特開昭62−39827号公
報)。
さらに、N−ステアリル−2−メチル−4−ニトロアニ
リンtL8膜の形成材料として用もまた例があった(文
献(ジャパニーズ ジャナル オブアブライト フィジ
ックス(Japanese Journalof Ap
plied Physics) 27 (9) (19
88,9) pp、l635〜+637) 。
上述した各方法の中で、LB法により分子分極の配向を
制御して枠牲構造を有した有機薄膜を作製しようとする
方法は、分子単位で膜厚が制御でき然も均質な薄膜が得
られるということ、ざらに光信号処理デバイス等のよう
な微細な光集積回路素子を構築するためには有機非線形
光学材料の薄膜化が必須であることから、最も有望な方
法と云える。
(発明が解決しようとする課題) しかしながら、p−NA誘導体の薄膜をしB法により作
製しようとした場合、従来知られていた5t−pNAや
N−ステアリル−2−メチル−4ニトロアニリンという
LB膜の形成材料では、分子の凝集性が強いため、水面
上にその分子のみが凝集し3次元の微結晶に成長してし
まうという現象が起こっていた。この現象は、N−ステ
アリル−2−メチル−4−ニトロアニリンに関しては、
上記文献(ジャパニーズ ジャナル オブ アプライド
 フィジックス(Japanese Journal 
ofApplied Physics) 27 (9)
 (1988,9) pp、l635〜+637)に報
告されている。また、St−pNAに関しでは、この出
願に係る発明者が、確認しでいる。
このような分子の凝集が起こると、この分子を一方向に
配向させることが出来ないばかりでなく均質なL8膜を
得ることが出来ない、これがため、非線形光学素子を構
築するための極性構造を有する有8!薄M構造体を得る
ことが出来ないことになる。
この発明はこのような点に鑑みなされたものであり、従
ってこの発明の目的は、大きな分子分極を有する材料で
あってLB法において分子の凝集が起こり難く均質なL
B膜を形成することが出来るしB膜の形成材料を提供す
ること1こある。
(課題を解決するための手段) この目的の達成を図るため、この発明によれば、次の一
般式(1)で表されるN−アシル−pニトロアニリンを
LB膜の形成材料として用いたことを特徴とする(但し
、(1)式中のnは13〜29の整数である)。
(作用) この発明のL8膜の形成材料であるN−アシル゛−p−
ニトロアニリンは、分子の非線形感受率が大きいp−ニ
トロアニリン(+)−NA)に長鎖アルキル基を導入し
たN−アルキル−p−ニトロアニリンにさらにカルボニ
ル基が導入されたものである。このため、p−NAの属
性を利用出来る。
ざらにカルボニル基が導入されたため親木性が5t−p
NAに比べると強いので、LB膜形成の際に水面上に凝
集しずらい。
(実施例) 以下、この発明のしB膜の形成材料の実施例につき説明
する。
L8の  合 の 先ず、この発明のLB膜の形成材料である上述の一般式
(1)で示される有機化合物の一例として(1)式中の
nが16である下記(2)式で示されるN−ステアロイ
ル−p−ニトロアニリン(以下、5tO−pNAと略称
することもある。)の合成方法の一例につき説明する。
しかしながら、以下の合成例中で述べる使用薬品名、数
値的条件、処理方法等は、単なる一例にすぎないことは
理解されたい。
固する。これをエタノール3−00 m 12に加温溶
解し、熱濾過後故霞冷却し、生成した沈殿を濾取する1
次に、濾取した沈殿物を再び300mβのトルエンに加
温溶解し、放置冷却し、生成した沈殿を濾取する。下記
(3)式は上述の合成方法を示す反応式である。
先ず、p−ニトロアニリン6、99(0,05mol)
をテトラヒドロフラン(1旺)150mlに溶解し、こ
の溶液を攪拌しながらこれに塩化ステアロイル18 、
29 (0,06mol) ’iA下する0次いでこれ
にトリエチルアミン(TEA ) 3 、9 CI (
0,06mof)8滴下した後、さらに30分間攪拌す
る。生成した沈殿(TEA−HCI)を濾別し、濾液を
濃縮乾上述のように合成した有機化合物を元素分析及び
赤外線吸収スペクトルによってそれぞれ同定した。
元素分析の結果は、以下に示す通りであった。
Cニア0.78% H:  9.90% N:  6.95% なお、計算値は、Cニア1.25、H:9.97、N:
6.92%である。
また、赤外線吸収スペクトルの測定の結果は、第1図に
示す通りであり、波数2900crrr’付近にメチレ
ン基の吸収、波数3340cm−’1680cm−’及
び1540cm−’に第ニアミド基の吸収、波数160
0cm−’付近に芳香環の吸収がそれぞれ認められた。
しB 次に上述の如く合成したN−ステアロイル−pニトロア
ニリン(s to−pNA)の特性につき、5tO−p
NAを含む単分子膜の特性と、この単分子膜をLB法に
より複数層累積した累積膜の特性とにより説明する。
なお、LB法は公知技術であるが、その概要は以下に説
明するようなものである。
同一分子内に親木基と細長い疎水基とを持つ分子を水面
に浮べ(以下、展開するという言葉を用いる)、横方向
から適当な圧力を加えると、この分子は親木基が水面に
接触しで規則正しく配列し単分子膜を形成する。また、
この単分子膜中に固体基板(例えばガラス基板)を浸漬
しこの基板を引き上げるとこのガラス基板上にこの単分
子膜が付着する。この操作を繰返し行なうことによって
単分子累積膜が得られる。この方法は垂直浸漬法と称さ
れている。また、水面上の単分子膜平面に平行にガラス
基板を近づけ接しさせることによりこのガラス基板に単
分子膜を付着させるいわゆる水平付着法を緑つ返し行う
ことによっても単分子累積膜が得られる。
く単分子膜での特性評価〉 先ず、この発明のL8膜の形成材料の単分子膜での特性
評価を行なうため、上記5tO−1)NAの展開膜の表
面圧−面積曲線を、5tO−pNAとアラキン酸[CH
3(CH2) + acOOH]との混合比をパラメー
タとし、測定した。その測定条件は、以下に説明する通
りとした。サブフェイズ水溶液は、塩化カドミウム(C
dC1z )をモル濃度で4 X 10−’及び炭酸水
素カリウム(にHCO3)をモル濃度で5×10−5含
み、pHを6.8とし水温を20”Cとしたものとして
いる。また試料は、5topNAとアラキン酸との混合
比を変えたものをそれぞれり[][]ホルムに溶解した
ものとした。そして、この試料をサブフェイズに展開し
た。第2図は、横軸に展開膜の面積(nm−’/分子)
、縦軸に展開膜の表面圧(mNm−’) @それぞれと
って示した表面圧−面積曲線であり、図中Iはs t 
o−pNA単独の展開膜のもの、11は5to−pNA
とアラキン酸との混合比が1=1(モル比、以下同様)
の展開膜のもの、mは同混合比が】:4の展開膜のもの
である。また、第3図は、比較例としてのN−ステアリ
ル−p−ニトロアニリン(s t−pNA)の展開膜の
表面圧−面積曲線であり、第3図中I(、tst−pN
A単独の展開膜のもの、IIは5t−pNAとアラキン
酸との混合比が1:1の展開膜のもの、■は同混合比が
1=4の展開膜のもの、■はアラキン酸単独の展開膜の
ものである。
第2図及び第3図からも理解出来るように、5to−p
NA及びS t−pNA共に、単独の展開膜は不安定で
あることが分る。つまり展開膜を圧縮しでゆくに従い表
面圧が上昇してゆくが、5to−pNA単独の展開膜で
はその面積が0.30付近で、5t−1)NA単独の展
開膜ではその面積が0.40付近で、表面圧の減少が起
きている。
また、実際、5to−pNA単独の展開膜を基板へ、ま
た、5t−pNA単独の展開膜を基板へそれぞれ累積さ
せようと試みたが、うまく累積出来なかった。これに対
し、5tO−pNA及び5t−INA共に、これに分子
の配向性が良く安定な単分子膜が得られることで知られ
ているアラキン酸を混合した場合の展開膜の特性は、単
独の場合とは異なったものになっている。ここで、st
−pNA、5t−pNA共、分子が水面に垂直に配列し
たとしたときの1分子当たりの展開膜中に占める面積は
アラキン酸のそれとほぼ同じであるので、アラキン酸と
の混合が均質に行なわれているならば、展開膜中におけ
る5to−pNA分子或いはSt−りNA分子の凝集状
態での占有面積(表面圧−面積曲線で分子が凝集した時
、展開膜の表面圧と面積との間には直線関係があり、こ
の直線を表面圧=Oに補飾した分子面積を占有面積と云
う、)は、アラキン酸の混合比によってはほとんど変化
しないはずである。このような観点に立ち第2図及び第
3図を見比べでみると、比較例である5t−pNAは、
占有面積が第3図の!■、■及び■の曲線で示されるよ
うにアラキン酸の混合比によって変化しており、また表
面圧−面積曲線においても屈曲が見られることから、ア
ラキン酸との混合が均質に行なわれず、展開膜の構造変
化が起こっていることが分る。これに対し、実施例であ
る5to−pNAは、占有面積が第2図の11及び■の
曲線で示されるようにアラキン酸の混合比によってはほ
とんど変化せず、また表面圧面積曲線においても屈曲が
見られないことから、アラキン酸との混合が均質に行な
われ、均質で安く累積膜での特性評価〉 次に、実施例のLB膜形成材料の水面上単分子膜をガラ
ス基板に累積し累積膜を作製し、この累積膜の特性を以
下に説明するように評価する。
■・・・評価1 先ず、水面上単分子膜をガラス基板上に順次に累積した
累積膜の評価を行なう。
累積は、水面上に展開した単分子膜の表面圧を30mN
m−’に一定に保っで行なった。ガラス基板は、大きざ
が38x13mmで厚さが0.5mmのもので、その表
面を臭化セチルトリメチルアンモニラ・ムで疎水処理し
たものを用いた。試料は、実施例として5tO−1)N
A:アラキン酸が]:1と、1:4としたもの、比較例
としで5t−pNA:アラキン酸が1=1と1:4とし
たもの、4種類を用意した。各試料毎にクロロホルムに
溶解させ、水面(上述のサブフェイズ)上に展開し、約
10分間放言して溶媒(クロロホルム)を蒸発させ、そ
の後、水面をゆっくりと圧縮し展開膜が30mNm−・
で一定に圧縮されるように保った。
次に、ガラス基板を2cm毎分の速度で水面を横切るよ
うに上下に繰り返し移動させ展開膜をガラス基板に移し
取った。
なお、累積がうまく行なわれているか否かは、基板が水
面を横切った面積と、これにより減少した水面上の展開
膜の面積との比率(以下、累積比と称する。)で評価し
た。展開膜の表面圧(よ常に一定(この例では30mN
rrr’)になるように制御されているので、累積がう
まく行なわれているとすれば、累積比は】になる、実施
例及び比較例合わせて4種類の試料共に、累積は累積比
がほぼ1の状態で行なえた。
次に、上述の如く累積した各試料の累積膜の吸光度の累
積数依存性を、累積数を異ならせた各累積膜を用いで測
定した。その結果、実施例である5to−pNA、比較
例である5t−pNAいずれの累積膜も、その吸光度と
累積数との関係は直線関係を示した。なお、5to−p
NAの吸収ど一つは310nmであり、5t−pNAの
吸収ピークは420nmであるので、吸光度の測定はそ
れぞれそのピーク波長の光を用いて行なった。
アラキン酸はこれら波長での吸収はない。
次に、各試料の累積膜の表面形態を走査型電子顕微鏡(
SEM)を用いそれぞれ観察したところ、比較例である
5t−pNAを用いた各累積膜ではサブミクロンサイズ
の3次元の凝集体が多数見られたが、実施例である5t
o−pNA%用いた各累積膜ではそのような凝集体は見
られず均質なしB膜が得られていることが分った。
■・・・評価2 次に、実施例のLB膜形成材料である5to−pNAを
用い、これを基板に対して常に一定の方向にそろわせ全
体として極性構造を有する薄膜構造体を得るため1こ、
基板上に5to−pNAを含む単分子膜と、アラキン酸
の単分子膜とを交互に累積し交互累積膜を作製した。具
体的には、基板を水中(サブフェイズ水溶液中)に浸漬
するときは水面上には5to−pNA1f!:含む単分
子膜を展開しておき、基板を水中から引き上げるときは
水面上にはアラキン酸の単分子膜を展開しでおくように
しLB法により基板上にこれら展開膜を順次に移し取る
。またはその逆でも良い、このようにすることによって
、5tO−1)NAを含む単分子膜は、常に基板に対し
一定の方向に累積される。
このような交互累積膜は、実際には、以下に説明するよ
うな交互累積膜作製装置を用いて作製した。
第4図は、この交互累積膜作製装置の構造を概略的に示
した図である。
この装置は、水槽11を有しであり、この水槽11中に
サブフェーズ水溶液が入れである。この水槽11中の水
溶液は固定バリア12によってA及びBで示す2つの水
面に仕切られている。また固定バリア12の中央部は切
れでいで、この切れた部分では、この両側の固定バリア
部分それぞれに設けたテフロンフィルム13が向かい合
って接触する構造としてあり水面A及び水面B上に展開
したそれぞれの膜が混合しないようにしである。ざらに
この装置は、基板ホルダ14を有しでおり、この基板ホ
ルダ14は、テフロンフィルム13の接触部をすりぬけ
て水槽11の八で示す水面を有する領域と8で示す水面
を有する領域との間を移動出来るようになっている。
ざらにこの装置は、固定バリア12で仕切られる2つの
領域(水面A及び水面Bを有する2つの領域)それぞれ
の水面に浮かせである可動バリア21(又は31)を有
している。これら可動バリア21゜31は、それぞれが
固定バリア12側に引かれるように、糸22.32によ
って滑車23.33を介して錘に24、34につながれ
でいる。この構成によれば、可動バリア21及び31を
水槽11の締部まで寄せた状態で水面A及び水面已に試
料をそれぞれ展開し計算量の錘を乗せることにより、水
面上の展開膜をそれぞれ一定の表面圧で圧縮することが
出来る。さらに基板ホルダ14にガラス基板41ヲ取付
けこのガラス基板41を先ず水面Aを横切って水槽中に
下降させると、このガラス基板41に水面Aに在る展開
膜を付着させることが出来る6次いでガラス基板41か
水面下にある状態で基板ホルダ14をテフロンフィルム
13の接触部をすり抜けさせ水槽11の水面Bを有する
領域に移動させ、ざらにガラス基板41を水面B%横切
って上昇させると、このガラス基板41には今度は水面
Bに在る展開1漠を付着させることが出来る。その後ま
た、ガラス基板41を水面Aの領域に移動し水槽中に下
降させ上述した一連の操作を繰り返すと、水面Aに展開
させた膜と、水面Bに展開させた膜とを交互に累積させ
た膜がガラス基板上に形成出来る。
この実施例では水面Aにアラキン酸を展開し30mNr
rr’の表面圧に保った。一方水面BにはSt、−pN
Aとアラキン酸とを1:1(モル比)の割合で混合した
ものを展開し30mNm−’の表面圧に保った。サブフ
ェイ、ズの条件及びガラス基板の大きさや疎水化処理条
件は、上述の評価1の場合と同様にした。そして、上述
した手順に従い50回の累積操作を行い水面Aの展開膜
と水面Bの展開膜それぞれが50層づつ交互に累積され
た試料薄膜構造体を得た。
なお、累積状態は、上述の評価]の項で説明した累積比
により評1価した。累積は、累積比がほぼ1の状態で行
なえた。また、この交互累積膜の吸光度を波長310n
mの光を用い上述の評価1の方法と同様な方法で測定し
たところ、1層当たりの吸光度は、上述の評価1のとき
のちょうど半分の値であることが分った0以上のことか
ら、累積は、良好に行なわれでいると判断出来る。
また、SEMによりこの交互累積膜の表面形態を観察し
たところ、凝集体は見られず、均質なLB膜であること
が分った。
以上実施例によりこの発明に説明を行なった。
しかしこの発明は、上述の実施例1こ限定されるもので
はない。
上述の実施例では一般式(1)中のnを16とした例で
説明している。しかし、LB膜の形成が可能であるnが
13〜15及び17〜29の化合物についても実施例と
同様な効果を得ることが出来る。
(発明の効果) 上述した説明からも明らかなように、この発明のL8膜
の形成材料であるN−アシル−p−ニド0アニリンは、
p−ニトロアニリンに長鎖アル午ル基を導入したN−ア
ルキル−p−ニトロアニリンにさらにカルボニル基を導
入したものであるので、親水性が強くなりその分しB膜
形成の際に水面上で凝集しずらくなる。これがため、大
きな分子分極を有する材料であってLB法において分子
の凝集が起こり難く均質なLB膜を形成することが出来
るLB膜の形成材料を提供することが出来る。
従って、極性を有する所望の薄膜構造体を得ることが出
来るようになるので、高性能な光−光変換素子、光変調
素子、光スィッチ等の光学素子の実現が可能になる。さ
らに、これら光学素子を用いた光コンピュータの実現が
期待出来る。
【図面の簡単な説明】
第1図は、寅施例のLB膜の形成材料の赤外線吸収スペ
クトルを示す図、 第2図は、寅施例のしB膜の形成材料の展開膜の特性を
評価するための表面圧−面積曲線を示す図、 第3図は、比較例のLB膜の形成材料の展開膜の特性を
評価するための表面圧−面積曲線を示す図、 第4図は、この発明の1日膜の形成材料を用いて交互累
積膜を作製するために用いた装冨の説明に供する図であ
る。 11・・・水槽、 + 3−・・テフロンフィルム、 21.31・・・可動バリア、 23.33・・・滑車、 41・・・ガラス基板。 12・・・固定バリア 14・・・基板ホルダ 22、32・・・糸 24.34−・・錘

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)下記の(1)式で表されることを特徴とするラン
    グミュア・ブロジェット法による薄膜(LB膜)の形成
    材料(但し、(1)式中のnは13〜29の整数である
    )。 ▲数式、化学式、表等があります▼…(1)
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