Physik und Chemie der Makromoleküle Polymere in

Physik und Chemie der Makromoleküle
Polymere in der Informationstechnologie
Dielektrische Eigenschaften
Die dielektrischen Eigenschaften von Polymeren kommen zum Tragen, wenn Polymere
als Isolatormaterial verwendet werden soll, zum Beispiel in Kondensatoren. Folgende
Punkte sind wichtig:
•
•
•
Es dürfen keine Ladungen in das Polymer induziert werden. Dies ist bei den
meisten Polymeren erfüllt. Eine wichtige Ausnahme bilden leitfähige Polymere, die
später besprochen werden.
Es dürfen keine Relaxationen bei den Betriebsfrequenzen auftreten, die zur
Dispersion von Energie und damit zur Wärmeentwicklung führen. Die Polymere
sollten also apolar sein.
Signale werden in Medien mit der Geschwindigkeit v = c / ε übertragen. Für
Hochfrequenzanwendungen muß also die Dielektrizitätskonstante möglichst klein
sein (low-k-Materialien).
Am häufigsten als Dielektrika verwendet werden Polyimide, z.B. das aus Pyromellinsäure
und 4,4’-Oxidianilin gewonnene Kapton (ε = 3.1). Die Imidisierung wird durch thermische
Behandlung des Amids bei 100 – 200 °C durchgeführt, das entstehende Polymer ist stabil
bis 450°C.
Eine besondere Strategie für low-k-Materialien ist die Fluorierung. Eine C-F-Bindung ist
wesentlich schwächer polarisierbar als eine C-H-Bindung. Beispiel: Polytetrafluoroethylen
(Teflon) ε = 2.0. Für fluorierte Imide ist ε ≈ 2.2.
Entsprechende anorganische Isolatorschichten haben ε = 3.5 - 4.0 (SiO2) bzw. ε = 7 – 10
(Si3N4).
Polymere in der Informationstechnologie 1
Optische Eigenschaften
Die optischen Eigenschaften ergeben sich als Fortführung der dielektrischen
Eigenschaften bei hohen Frequenzen. Statt der komplexen Dielektrizitätskonstanten wird
der komplexe Brechungsindex angegeben:
nˆ = n − ik
εˆ = n2 = ( n2 − k 2 ) − i(2 nk) = ε '− ε "
Der Imaginärteil des Brechungsindexes ist die Absorptionskonstante, sie ist mit dem
üblichen (Intensitäts-) Absorptionskoeffizienten α ( I = I 0 exp( −α d ) ) verknüpft durch
4π
α=
k
λ
Im infraroten und sichtbaren Spektralbereich liegen Absorptionsbanden (Resonanzen)
vor, die über die Kramers-Kronig-Relationen die Dispersion des Brechungsindexes
vorgeben. Die Linienform der Absorptionsbanden wird später besprochen.
Infrarotresonanzen ergeben sich aus Schwingungsanregungen, UV/Vis-Absorptionen aus
elektronischen Anregungen.
Hauptanwendungsgebiet für Polymere in der Optik ist der Einsatz als Lichtleitfasern. Am
häufigsten wird Polymethylmethacrylat (PMMA) verwendet. Für Lichtleiter ist es ebenfalls
wichtig, daß bei den Anwendungsfrequenzen kein Verlust durch Absorptionsbanden
auftritt. Im nahen infraroten Bereich sind es meist keine elektronische Absorptionen,
sondern Oberschwingungen von Infrarotabsorptionen, die Probleme bereiten. Die
optischen „Fenster“ der Telekommunikation bei 1300 und 1550 nm sind aufgrund der OHOberschwingungen der Glasfasern gewählt worden. Die Oszillatorstärken sind zwar
gering, machen sich aber bei langen Strecken durchaus bemerkbar. Der Verlust wird
üblicherweise in dB/km (α/0.23) angegeben. Zum Vergleich. Glasfaser 1300 nm 0.3 dB/km
(5 % Verlust / km), 1550 nm 0.16 dB/km (2.5 % Verlust).
Für PMMA sind es die C-H-Streckschwingungen (bis zur 7. Oberschwingung), die zur
Absorption beitragen (500 nm 101 dB, 1500 nm 105 dB). Die Banden verschieben sich,
und die Ozillatorenstärken werden geringer, wenn man C-H durch C-D bzw. C-F ersetzt.
Ein anderes Problem ist das Eindringen von Wasser, das sich durch Kombinationen von
Streck- und Biegeschwingungen bemerkbar macht. Fluorierte Polymere bieten auch hier
Schutz aufgrund ihrer wasserabweisenden Eigenschaften.
Polymere in der Informationstechnologie 2
PMMA
Optische Datenspeicherung
In Lichtleitern werden Polymere nur passiv verwendet. Einen aktiveren Einsatz ergeben
Polymere, die durch Lichteinwirkung ihren Brechungsindex verändern können. Zwei
Beispiele, die auf holographische Speicheranwendungen hinzielen:
a) Photopolymere
Bei Photopolymeren entsteht das Polymer erst bei der Belichtung durch radikalische
Polymerisation. Dazu wird das entsprechende Monomer zusammen mit einem Initiator und
eventuell einem Sensitizer für sichtbares Licht aufgetragen. Typische Materialien sind
Benzylverbindungen wie Benzoin als Initiator und Acrylate als Monomere. Wichtig bei der
Wahl der Mischung ist, daß die radikalische Polymerisation nicht ungehindert durchlaufen
kann, sondern Abbruchreaktionen vorhanden sind.
Wenn man nun belichtet, polymerisiert das Material an den belichteten Stellen und wird
viskos. Da in diesen Bereichen entsprechend weniger Monomere vorhanden sind,
diffundieren diese nach und erhöhen die Dichte in den belichteten Bereichen.
Abschließende Belichtung der ganzen Schicht führt zu einem Brechungsindexmuster.
a
c
b
d
Polymere in der Informationstechnologie 3
b) Photorefraktive Polymere
In einem photorefraktiven Gemisch braucht man ein Polymer, das photoinduzierte
Ladungstrennung bewirken kann, einen Plastisizer, der das Material weich macht, und
Dipolmoleküle. Bei der Belichtung werden Ladungen erzeugt und durch unterschiedliche
Diffusionskonstanten voneinander getrennt. Das entstehende elektrische Feld orientiert
die Dipole. Deren Anisotropie der Polarisierbarkeit führt ebenfalls zu einer
Brechungsindexvariation.
a
b
I(x)
ρ(x)
c
E(x)
d
∆n(x)
Nichtlineare Optik
Bei den photorefraktiven Polymeren sind wir schon im Gebiet der NLO. Mit den Worten
der Systemtheorie gesprochen, verhält sich unser System nicht mehr linear gegenüber
einem äußeren Feld. Die erzeugte Polarisation beim Anlegen eines elektrischen Feldes ist
gegeben durch
Pi = ε 0 (ε −1) E j + χ(2) E j Ek + χ(3) E j Ek El + ...
Die Suszeptibilitäten sind Tensoren höherer Ordnung und beschreiben die Wirkungen auf
Felder, die in verschiedenen Richtungen und mit verschiedenen Frequenzen wirken
können.
Ein Spezialfall ist gegeben, wenn eines dieser Felder ein statisches Feld ist und die
anderen optische Frequenzen besitzen, man spricht dann von elektrooptischen Effekten,
dem Pockelseffekt ( χ (2) ) und dem Kerr-Effekt ( χ (3) ). Pockelszellen werden zum Beispiel
zur Modulation der optischen Weglänge in Interferometern genutzt. In Pockelszellen ist die
Änderung des Brechungsindexes proportional zur angelegten Spannung (linearer
elektrooptischer Effekt).
Elektrooptischer Modulator (Pockelszelle)
Polymere in der Informationstechnologie 4
Rein nichtlinear optische Effekte sind Frequenzverdopplung, Frequenzmischung ( χ (2) ),
bzw. der intensitätsabhängige Brechungsindex, entartetes Vierwellenmischen und
die optische Phasenkonjugation ( χ (3) ).
Aus Symmetriegründen darf ein makroskopisches System für einen χ (2) -Effekt keine
Inversionssymmetrie besitzen. Dipolmoleküle müssen also z.B. im elektrischen Feld zuerst
gepolt werden.
Typische Materialien für χ (2) -Effekte sind Seitenkettenpolymere, z.B. mit dem
Chromophor Diaminonitrostilben (DANS).
H3C
O
N
NO2
n
Für χ (3) -Effekte sind konjugierte Polymere wie Polyacetylen oder Polythiophen am
vielversprechendsten.
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