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URN: urn:nbn:de:kobv:517-opus-15771
URL: http://opus.kobv.de/ubp/volltexte/2008/1577/


Grenzer, Marina

Photoinduced material transport in amorphous azobenzene polymer films

Lichtinduzierter Massetransport in amorphen azobenzenhaltigen Polymerfilmen

pdf-Format:
Dokument 1.pdf (20.758 KB) (SHA-1:dcda9f26fecaf6fe6d61d2a621ea093e04724eca)


Kurzfassung in Englisch

The role played by azobenzene polymers in the modern photonic, electronic and opto-mechanical applications cannot be underestimated. These polymers are successfully used to produce alignment layers for liquid crystalline fluorescent polymers in the display and semiconductor technology, to build waveguides and waveguide couplers, as data storage media and as labels in quality product protection. A very hot topic in modern research are light-driven artificial muscles based on azobenzene elastomers.

The incorporation of azobenzene chromophores into polymer systems via covalent bonding or even by blending gives rise to a number of unusual effects under visible (VIS) and ultraviolet light irradiation. The most amazing effect is the inscription of surface relief gratings (SRGs) onto thin azobenzene polymer films. At least seven models have been proposed to explain the origin of the inscribing force but none of them describes satisfactorily the light induced material transport on the molecular level.

In most models, to explain the mass transport over micrometer distances during irradiation at room temperature, it is necessary to assume a considerable degree of photoinduced softening, at least comparable with that at the glass transition. Contrary to this assumption, we have gathered a convincing evidence that there is no considerable softening of the azobenzene layers under illumination. Presently we can surely say that light induced softening is a very weak accompanying effect rather than a necessary condition for the formation of SRGs.

This means that the inscribing force should be above the yield point of the azobenzene polymer. Hence, an appropriate approach to describe the formation and relaxation of SRGs is a viscoplastic theory. It was used to reproduce pulse-like inscription of SRGs as measured by VIS light scattering. At longer inscription times the VIS scattering pattern exhibits some peculiarities which can be explained by the appearance of a density grating that will be shown to arise due to the final compressibility of the polymer film.

As a logical consequence of the aforementioned research, a thermodynamic theory explaining the light-induced deformation of free standing films and the formation of SRGs is proposed. The basic idea of this theory is that under homogeneous illumination an initially isotropic sample should stretch itself along the polarization direction to compensate the entropy decrease produced by the photoinduced reorientation of azobenzene chromophores.

Finally, some ideas about further development of this controversial topic will be discussed.

Kurzfassung in Deutsch

Azobenzenhaltige Polymere sind in modernen photonischen, elektronischen und opto-mechanischen Anwendungen nicht mehr wegzudenken. Diese Polymere werden erfolgreich in der Bildschirm- und Halbleitertechnologie eingesetzt, um Ausrichtungsschichten für flüssig-kristalline fluoreszierende Polymere zu produzieren sowie Wellenleiter und Wellenleiterkoppler herzustellen. Auch dienen sie als Medien für Datenspeicher oder der Sicherung von Qualitätsprodukten. Ein wichtiges Thema in der modernen Forschung sind lichtgetriebene künstliche Muskeln basierend auf azobenzenhaltigen Elastomeren.

Die Inkorporation von Azobenzene in Polymersysteme durch kovalente Bindungen oder durch Vermischung resultiert in einer Anzahl ungewöhnlicher Effekte, welche unter Bestrahlung mit sichtbarem und ultraviolettem Licht auftreten. Der erstaunlichste Effekt ist das Erzeugen von Oberflächengittern (Surface Relief Gratings - SRGs) auf dünnen azobenzenhaltigen Polymerfilmen. Es wurden mindestens sieben Modelle zur Erklärung der Herkunft der dieses Gitter erzeugenden Kraft vorgeschlagen aber keines von diesen kann befriedigend den lichtinduzierten Massetransport auf molekularem Niveau beschreiben.

Um einen Massetransport über Mikrometerabstände zu erklären, ist es in den meisten Modellen notwendig, eine deutliche lichtinduzierte Erweichung, die mit der Erweichung bei dem Glasübergang vergleichbar ist, anzunehmen. Entgegen dieser Annahme wurden in dieser Arbeit überzeugende Beweise gesammelt, dass es keine signifikante Erweichung in azobenzenhaltigen Schichten bei homogener Bestrahlung gibt. Deshalb kann man davon ausgehen, dass die lichtinduzierte Erweichung eher ein schwacher begleitender Effekt als eine notwendige Voraussetzung für die Bildung derartiger Oberflächengitter ist.

Aus dieser Beobachtung muss geschlussfolgert werden, dass die erzeugende Kraft oberhalb der Fließgrenze azobenzenhaltiger Polymer liegt. Deshalb ist die viskoplastische Theorie ein geeigneter Ansatz zur Beschreibung der Formation von Oberflächengittern und deren Relaxation. Dieser Ansatz wurde genutzt, um die beim pulsartigen Erzeugen von Oberflächengittern gemessene Lichtstreuung mit einem Modell zu beschreiben. Bei längeren Bestrahlungszeiten weist das Streumuster einige Besonderheiten auf, die durch die Bildung eines Dichtegitters erklärt werden können. Dieses Gitter entsteht infolge der begrenzten Kompressibilität des Polymerfilms.

Als logische Konsequenz der oben genannten Erkenntnisse wird eine thermodynamische Theorie, die die lichtinduzierte Deformation des freistehenden Filmes und die Oberflächen-gitterbildung wiedergeben kann, vorgeschlagen. Die Hauptidee ist, dass eine ursprünglich isotrope Probe sich unter homogener Bestrahlung entlang der Polarisationsrichtung ausdehnen muss, um die Entropieabnahme, die durch die lichtinduzierte Reorientierung der Azobenzene entstanden ist, zu kompensieren.

In der Folge werden einige Ideen über die weitere Entwicklung dieses interessanten Themas diskutiert.

Freie Schlagwörter (Deutsch): azobenzenhaltige Polymere , Oberflächengitter , viskoplastische Theorie
Freie Schlagwörter (Englisch): azobenzene polymer , surface relief grating , viscoplastic theory
RVK - Regensburger Verbundklassifikation: UB 1080
Institut: Institut für Physik und Astronomie
Fakultät: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: a Habilitation
Hauptberichter: Neher, Dieter (Prof. Dr.) , Menzel, Henning (Prof. Dr.) , Rochon, Paul (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 23.11.2007
Erstellungsjahr: 2007
Publikationsdatum: 16.01.2008
Bemerkung:
The appendix of the document includes copyright protected material.

Published articles:

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© 2002 The American Physical Society
doi: 10.1103/PhysRevE.65.052801

M. Saphiannikova, I. Radtchenko, G. Sukhorukov, D. Shchukin, A. Yakimansky and J. Illnytskyi. Molecular-dynamics simulations and x-ray analysis of dye precipitates in the polyelectrolyte microcapsules. J. Chem. Phys. 118, 9007-9014 (2003)
© 2003 American Institute of Physics
doi: 10.1063/1.1566732

M. Saphiannikova, T.M. Geue, O. Henneberg, K. Morawetz and U. Pietsch. Linear viscoelastic analysis of formation and relaxation of azobenzene polymer gratings. J. Chem. Phys. 120, 4039-4045 (2004)
© 2004 American Institute of Physics
doi: 10.1063/1.1642606

N. Mechau, M. Saphiannikova and D. Neher. Molecular tracer diffusion in thin azobenzene polymer layers. Appl. Phys. Lett. 89, 251902/1-251902/3 (2006).
© 2006 American Institute of Physics
doi: 10.1063/1.2405853

M. Saphiannikova, O. Henneberg , T.M. Geue, U. Pietsch and P. Rochon. Nonlinear effects during inscription of azobenzene surface relief gratings. J. Phys. Chem. B. 108, 15084-15089 (2004)
© 2004 American Chemical Society
doi: 10.1021/jp0378788

N. Mechau, M. Saphiannikova and D. Neher. Dielectric and mechanical properties of azobenzene polymer layers under visual and ultraviolet irradiation. Macromolecules 38, 3894-3902 (2005).
© 2005 American Chemical Society
doi: 10.1021/ma0479316

M. Saphiannikova and D. Neher. Thermodynamic theory of light-induced material transport in amorphous azobenzene polymer films. J. Phys. Chem. B. 109, 19428-19436 (2005)
© 2005 American Chemical Society
doi: 10.1021/jp053249h

B. Stiller, T. Geue, K. Morawetz and M. Saphiannikova. Optical patterning in azobenzene polymer films. Journal of Microscopy 219, 109-114 (2005)
© 2005 The Royal Microscopical Society/Blackwell Publishing
doi: 10.1111/j.1365-2818.2005.01500.x

J. Ilnytskyi, M. Saphiannikova and D. Neher. Photo-induced deformations in azobenzene-containing side-chain polymers: molecular dynamics study. Condensed Matter Physics 9, 87-94 (2006).
© 2006 Institute of Condensed Matter Physics
link: http://www.icmp.lviv.ua/journal/zbirnyk.45/010/abstract.html
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