米乐m6官方网站[会长：中钵良二]（以下简称“AIST”）纳米系统研究部[研究主任：山口智彦]智能材料组研究组组长木原英元等人通过光和热的作用可逆地产生了结晶相。非晶固相并可应用于光学记录。
这个材料是煤焦油获得的称为蒽的有机物质为原料并采用有机合成反应化学改性众所周知，当蒽受到紫外线照射时，两个分子结合形成二聚体（光二聚反应），当二聚体被加热到高温（约200℃）时，键断裂并恢复到原来的分子（热返回反应）。
我们开发的以蒽为原料的有机材料也会发生类似的光反应，但其原始状态在室温下是稳定的结晶相，但当它受到紫外线照射而变成二聚体时，它在室温下会变成非晶态固相。双折射的光学特性等发生显着变化。通过利用这一特性，我们可以创造出不需要无机材料的新产品。相变光学记录介质的记录层。
该研究成果由美国化学会于2013年3月7日发表ACS 应用材料与界面发表在杂志的网络版上。 (ACS 应用材料接口 2013, 5, 2650-2657.）
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图1 可以通过开发的光记录材料的相变来记录图案 (a) 用作图案原版的金属书签，(b) 通过透过原版照射紫外线，在玻璃基板上的薄膜材料上写入图案 |
有机材料的优点是比金属材料更轻、更柔韧，而且易溶于溶剂、易于加工。它的优点还在于可以使用合成方法精确调整材料的物理性能。特别是近年来有机晶体管和有机太阳能电池，有机EL等光电领域的期望越来越高为了充分利用此类有机材料的特性，重要的一点是如何控制其相态（固相、液相、晶相、非晶相等）。例如，如果在室温下可以通过光控制晶相和非晶固相，则可以利用这些相的光学性质的差异来寻找相变光学记录介质的记录层等的应用。然而，实际上，已知很少有有机材料可以用于此类目的。
产业技术研究院专注于引起光化学反应的有机分子，开发了通过对这些分子进行化学修饰而发挥各种功能的有机材料。例如，光异构化反应醒来偶氮苯，我们开发了一种在室温下发生可逆固-液相变的材料，并提出了其在光学粘合剂等方面的应用。(2010 年 12 月 2 日、2012 年 4 月 6 日 AIST 新闻稿）。这次，我们利用蒽作为材料的关键成分，开发了一种表现出可逆相变的有机材料，蒽会引起光二聚反应和热返回反应。
这项研究开发的一部分是在日本学术振兴会科学研究补助金（2011-2011财年）的“基础研究（C）基于光二聚反应的有机化合物的可逆相结构控制及其应用的研究”下进行的。
此次开发的有机材料可以通过简单的两步反应从可用作试剂的起始材料中合成，所得材料在室温下呈现晶相。当这种材料被加热到其熔点（约150°C）以上并用紫外线照射时，两个分子的蒽部分键合在一起形成二聚体，但即使该材料回到室温，该二聚体也不会结晶并以无定形相固化。另一方面，这种二聚体在高达 100 °C 左右的温度下保持稳定，但当加热到 200 °C 左右时，连接蒽部分的键断裂，返回到原始材料并再次变成结晶（图 2）。
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| 图2 所开发的有机材料(a)和通过紫外光照射获得的二聚体(b)的化学结构 |
这种材料在晶相和非晶固相之间具有不同的光反射率和双折射，因此这些差异可以作为信息记录被写入或读出。事实上，我们将新开发的有机材料加热熔化，形成薄膜，并通过图案母版用紫外线照射它，看看是否可以将图案转移到母板上。
用紫外线照射的薄膜，极化两张纸堆叠在一起，使其方向成直角偏光板之间时并使用可见光进行观察，观察到准确再现原始板图案的图案（图3a）。通常，当将两块偏光板一个叠放在另一个的顶部以使偏振方向成直角时，没有光可以通过。此外，即使将非双折射物质放置在两个偏光板之间，也不会有光通过。然而，如果将表现出双折射的物质（例如晶体或液晶）放置在两个偏光板之间，则一部分光将穿过偏光板并显得更亮。在该材料的薄膜中，不具有双折射性的部分（非晶固相）和表现出双折射性的部分（结晶相）分别形成暗部和亮部，从而形成图案。与使用紫外光写入图案时不同，在读出期间可以使用不会引起蒽光二聚化的可见光，因此图案不会被读出破坏。另一方面，当将写有这种图案的薄膜加热到200°C时，整个薄膜恢复到原来的材料并再次结晶，从而可以擦除图案（图3b）。擦除图案后，还可以通过在薄膜上执行相同的光学写入操作来创建重复图案（图 3c）。
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图3 可以通过相变擦除记录的模式并可以记录另一个模式 (a) 写入第一个图案后，(b) 将薄膜 (a) 加热至 200 °C 以擦除图案后，(c) 在薄膜上写入另一个图案 (b) 后 |
图4显示了上述光学图案的写入和擦除机制。新开发的有机材料在室温下表现出稳定的结晶相（A态）。当这种材料被加热到其熔点以上时，它会熔化并变成非晶相，但当它冷却时，它会像正常物质一样恢复到原来的晶相（A态）。然而，在熔融状态下照射紫外线时，形成二聚体，该二聚体即使回到室温也不结晶，以非晶相的形式凝固(状态B)。这样，根据是否存在紫外线照射而形成两相，并且由于各相的光学特性的差异，可以记录图案。另一方面，当状态B的二聚体被加热到约200℃时，原始材料通过热返回反应而再生，并且当其冷却时，它返回到结晶相（状态A）。由于它利用了这种利用光和热的可逆反应，因此可以在室温下长期存储信息，并且其特点是可以反复写入和擦除。
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图4 所开发的有机材料在室温下稳定的两相（结晶相和非晶固相）之间的可逆相变机制
简化图表  |
由于目前实用化的相变光记录介质的记录层均采用金属材料，因此其制造工艺为溅射需要设备等大型设备。另一方面，如果可以将有机材料用于记录层，则可以通过溶液涂布或熔融压制来制造记录介质，从而无需引入大型设备。
单独使用原料蒽并不能引起这样的可逆相变。利用产业技术研究院在光功能有机材料方面积累的知识，设计了预期表现出相变等功能的分子结构。
为了使其作为光记录材料实用化，需要抑制加热时发生的氧化分解反应，提高图案重写的重复性，并抑制写入时的高温引起的物质扩散，从而能够写入精细的图案。为此，我们计划利用有机合成方法优化化学结构，并改进薄膜减薄工艺，例如去除氧气并将其密封。除了光学信息记录之外，还可以利用这种相变材料的特性。光刻
国立产业技术综合研究所
纳米系统研究部智能材料组
研究组组长 Hidemoto Kihara 电子邮件：