[转自CDBEST]《刻盘染料》 |
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- [转自CDBEST]《刻盘染料》(3060字) gar2000 (81959)于2003/10/18(20:43:23)..
下面分别介绍这几种材料:
1) 花菁类染料
花菁(cyanine),由日本的Taiyo Yuden公司研究并最早以此材料生产出CD-R盘片,橘皮书在制定时便以此为依据制定。大多数的CD-R刻录机是参考花菁的特性而设计和测试, 而现今CD-R 光碟片的工厂也大多使用花菁染料。这类染料的分子内部含有由甲川基(CH)n组成的共轭链,n可为奇数或偶数。共轭链两端或链中间连有杂环、芳环化合物、环烯化合物等与共轭链组成一个大的共轭体系,分子内部的氢可被一定数目的各类取代基取代。 这类化合物的最大吸收波长均在红外区和近红外区。它的最大吸收波长与甲川基链的长短有关,每增加两个甲川基,花菁染料的吸收峰大约向长波方向移100nm。花菁染料的克分子消光系数很大,即使很小的能量(约0.5nJ/bit)也可烧蚀出明显的小坑,可获得较高的信噪比,因而这类染料被大量应用于写一次型光盘记录。这类染料,特别是直链类对光和热的稳定性较差,在光照下,很易被单线态氧所氧化。为增加其稳定性,亚甲基染料中可引入拉电子基团或者环体结构。四方酸衍生物是花菁染料中一种比较新的化合物,它作为光记录材料,具有明显的优点。花菁染料的光氧化反应可以通过添加金属蛰合物(Chelate)来淬灭单线态氧而提高花菁染料的稳定性。加入淬灭剂后光氧化反应速率常量下降很多,因此在CD-R光盘制作中必须添加淬灭剂。 要制备花菁染料薄膜,首先要将花菁染料和淬灭剂与聚乙烯醇(PVA)溶入二丙酮醇中,当溶解完毕后经过过滤,用旋涂法在PC塑料盘基上制成薄膜。从花菁染料在溶液中和在PVA薄膜中的光吸收光谱曲线,可以看出在薄膜中光吸收峰变宽并向长波移动。花菁薄膜在激光记录波长(780nm)的折射率(n)为2.4,吸收系数(k)为0.7cm-1。
2)酞菁染料
酞菁染料(Phthalocyanine)是由Mitsui Toatsu(三井) 化学公司首先发明了此类染料并和Kodak(柯达)公司联合研制了此类CD-R盘片。优点是抗光性很好,可延长存放数据的时间。酞菁染料的化学分子式如图4所示。酞菁分子结构是由16个原子组成的高化学稳定性的共轭体系,学名为四氯杂苯并。其中,金属离子(M)和取代基(X)可以被替换,从而改变酞菁染料的光学和光谱性质。这类化合物被证明是写一次型光盘中很有前途的记录材料,它的广谱性好,对紫外、可见及近红外都很灵敏,从化学稳定性和光吸收强度来看是一个很好的光吸收剂,它的主要缺点是溶解性很差。但可通过在周边引入大的基团如叔丁基、长链的醇酯及聚酯增加其溶解度。其中双轴向、边周、边周及轴向同时取代的萘硅酞菁尤其引人注目,不但合成成本低,且性能优越。多家外国公司的商品化光盘采用了酞菁类染料作为记录介质。专利上报道的可用于写一次型光盘的酞菁染料几乎囊括了所有类型的酞菁,但主要以有取代基的金属酞菁为主。 由于酞菁染料的分子结构与其和高聚物一起形成记录层后的读写性能的关系不是很明确,酞菁染料的成功选择很大程度上要靠尝试法。酞菁染料的选择一般可从以下两个方面考虑:
1. 溶解性。染料在用于旋涂的非极性溶剂中的溶解度应大于2%。
2. 吸收波长。有机溶剂中酞菁的最大吸收波长应在680nm~730nm之间,成膜后由于红移使吸收峰变为730nm左右。 未取代酞菁一般不溶于有机溶剂,使得提纯和旋转涂膜变得困难,另外空心酞菁的吸收波长也偏低,不适于作为目前的写一次型光盘记录介质,需要对分子作以下两个方面的改性:
其一,使其带上空间位阻较大的侧链以改变其溶解性。一般的取代基有链状的烷基、烷氧基、羧基等,溶解度随其碳原子数的增加而增大,一般碳原子数应大于3;
其二,通过改变分子结构使其吸收波长发生变化。主要的方法是引入给电子取代基或改变其中心配位金属原子,我们主要通过选择合适的配位原子来使其吸收波长满足要求。 酞菁染料要比花菁染料的光和化学稳定性要高,但其在有机溶剂中的溶解度极小,难于用旋涂法制备薄膜。通过在金属酞菁分子结构中引入烷基侧链得到Pr4VOPc,酞菁染料在四氯乙烷中的溶解度可达30mg/ml,可以制备Pr4VOPc/PMMA薄膜。由Pr4VOPc在氯仿溶液(2×105M)中和PMMA薄膜中的吸收光谱,可见在薄膜中的吸收峰展宽了许多。钒氧酞菁(VOPc)存在着三种不同的相(I,II,III),相II为热力学稳定相,可以从非晶相I加热得到相II,但加热温度要到200°C以上。由相II组成的薄膜的最大吸收峰在近红外区域(λmax=800nm),用有机溶剂蒸气处理可以使VOPc的相I转变至相II,吸收峰由684nm红移至820nm。以上的研究己表明,Pr4VOPc染料在聚合物中的溶解度比VOPc的大,但由于四个丙基的空间阻碍作用大,发生相变较难。实验表明,Pr4VOPc掺杂聚合物薄膜(Pr4VOPc/PMMA=1)在四氢呋喃(THF)蒸气中(室温)处理,随着处理时间的延长,796nm处的吸收增加。酞菁染料薄膜可以用物理气相沉积的方法制备,这种薄膜也具有很好的记录特性。
3)偶氮染料
偶氮(Azo-metal Complex)为有机染料,它由Verbatim(万胜)和MITSUBISHI(三菱化工)研制。噻唑杂环的偶氮染料的光吸收峰值靠近长波区域(>600nm)。下图表示一种的偶氮染料[4氯-5(丙二氰叉基)甲基噻唑-4'N,N-二乙基胺基偶氮染料]的结构式。该染料熔化温度为160℃,分解温度为290℃,能溶合于硝酸纤维素(NC)中。染料在二氯甲烷中的吸收光谱中,吸收峰值位置为640nm,它与红光半导体激光器的波长(630~650nm)是相匹配的。用He-Ne激光器作光源,初步的动态读写性能显示当写入功率达14mW时,载噪比大于45dB(测试条件为:转速444r/min,载波频率500Hz,激光脉冲宽度80ns)。
4)醌类染料 醌类染料(quinone)主要有萘醌染料和蒽醌染料及其它们的衍生物。
萘醌 蒽醌 醌分子是一个强的电子受体,通过在分子内引入适当的给体和强的受体,将使它具有分子内电荷转移化合物的性质,吸收从可见区移到红外区,克分子消光系数增大,对商用半导体激光器的辐射有较强的吸收。这类染料中研究得比较多的是1,4-萘醌型和9,10-蒽醌型染料,这类化合物不易溶解也不带电荷,一般以真空镀膜的方法来制备光盘的记录层,生产成本高。但其优点是不用溶剂,因而盘基不受任何侵蚀,整个光盘的性质可得到改善。
5)其它类型的染料 金属络合物(如双硫酚类、靛苯胺金属络合物、偶氮苯金属络合物等)、苯亚胺染料、噻唑啉染料、二酮类染料、聚芳环类染料也可广泛地作为写一次型光盘记录介质。 由于染料的分子结构和其功能(特别是热性能)之间的关系尚未研究透彻,染料的选择在很大的程度上依赖于实验,目前选择染料的首要准则是看其吸收波长。波长为780nm左右的半导体激光器的出现曾经刺激了大批新型的红外吸收染料的合成,如二硫酚金属、萘酞菁等。用于光盘介质的染料分子一般具有共轭体系染料的基本结构特征,即骨架决定了它们的主要吸收带的范围,如2、3碳花菁染料及其衍生物、萘醌染料、一些蒽醌染料、酞菁染料、一些金属络合物染料对光的最大吸收波长都是在可见区。新染料的开发可以利用半经验的分子轨道计算方法计算,主要有EHMO、PPP、CNDO、MNDO等,其中PPP法被认为是计算染料分子吸收波长的最佳方法。此外将有机一次记录材料应用于高性能CD-R和DVD-R光盘,必须要解决高的反射率(~70%)和长寿命的问题。光盘的多层膜具有高的反射率。目前应用反射率高的金膜作反射层,并且利用染料在吸收带尾部的反常色散(Krams-Kronig Relation),希望染料有高的反射率n和低的吸收系数k。花菁染料是符合上述要求的,但酞菁染料的折射率偏低。因此,有人尝试在有机介质中掺入 金属颗粒形成复合材料ORMets从而获得高的反射率n值和低的吸收系数k值。当有机一次记录材料要作为长期文档存储介质时,光盘寿命是一个关键。实验表明,花菁染料比酞菁染料的热和光的稳定性差。
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