Authors:	Liaqat, Faroha
Title:	Exploiting the structure-property relationship in Bragg stacks : from phononic superlattices to bioinspired hybrids
Online publication date:	10-May-2016
Year of first publication:	2016
Language:	english
Abstract:	Structural organization found in many examples from nature provides an inspiring model of engineering to produce smart materials. This approach is based on exploiting the theme of structure-property relationship to design new materials in which the applications stem from their structural aspects. The work presented in this thesis highlights this idea by exploiting diverse properties of specially designed hybrid Bragg stacks built up from different constituent polymer and nanoparticles. This thesis is a compilation of work done on a variety of multilayered systems involving their fabrication and a detailed analysis of their phononic, mechanical and magnetic properties. In particular, one-dimensional phononic crystals are studied in detail to devise ways to mold the flow of elastic energy and obtain a full description of the phononic band diagram which is instrumental in providing an insight into the fundamental concepts of heat management and acousto-optic interactions. In addition, this provides a way to manipulate and control the propagation of elastic waves in periodic materials. One-dimensional hypersonic phononic structures are fabricated with a high degree of control using a soft matter approach and characterized with the non-destructive technique of spontaneous Brillouin Light Spectroscopy (BLS). Hybrid Bragg stacks composed of alternating layers of poly (methyl methacrylate) (PMMA) and porous silica (p-SiO2) are built up on glass substrate using high-speed spin coating, in contrast to the conventional semi-conductor fabrication techniques. The multilayered stacks exhibit large and well-defined band gaps in the Gigahertz (GHz) region of frequency and show direction dependent elastic wave propagation. The complimenting experimental and theoretical dispersion diagrams are fully explained normal to and along the direction of periodicity in the PMMA/p-SiO2 Bragg stacks. The intensities of the lower and upper phononic branches, the width of the band gap and the phonon frequencies are found to be strongly reliant on the structural parameters of the phononic structures investigated. The elastic modulus and elasto-optic coefficients of the individual layers are also estimated. Oblique incidence significantly alters the phonon propagation and offers a way of engineering the phononic band gap along with an estimation of the shear moduli of the constituents. The phonon dispersion is found to be robust to withstand fabrication related structural imperfections. A second approach to engineer the band gap in one dimensional hypersonic phononic crystals is the introduction of defects in otherwise perfect superlattices. The easy fabrication of PMMA/p-SiO2 superlattices with superb control makes the task of studying defect-controlled hypersound propagation much simpler. This work includes fabrication and characterization of hybrid superlattices of PMMA and p-SiO2 containing surface and cavity defect layers in isolation or in combination with each other. This is the first observation of surface and cavity modes in soft matter based phononic superlattices and their subsequent interaction. The defects are introduced in the perfect phononic lattice by varying the material, thickness or position of the surface and cavity defect layers. This comprehensive study provides a complete theoretical description of the band diagram based on the Green’s function method in addition to the experimental phonon dispersion. Breaking the high symmetry of the phononic superlattice is found to be a way to manipulate the band gap as well as to study the interaction between different defect modes. Such phononic structures with controlled defects are found to contain an optical stop band in addition to a phononic band gap and can qualify as phoxonic in nature. The strength and load-bearing properties of many structural materials found in nature provide motivation to fabricate artificial structures with high mechanical properties. Taking inspiration from super strong nacre and the adhesive character of the constituent DOPA (3, 4-dihydroxyphenylalanine) in marine mussels, hybrid multilayers of a polymer rich in catechol groups (DOPA-polymer) and iron oxide nanoparticles (Fe3O4) are fabricated by a spin coating procedure. The combination of alternating hard and soft constituent layers cemented by strong interactions between DOPA and iron oxide nanoparticles ensure that the resulting crosslinked network makes the hybrid hard and robust. Nanoindentation studies show very high values of elastic modulus (in GPa) and hardness and the hybrid multilayers can be used as multifunctional adhesive coatings. In addition, the structural ordering in the hybrid multilayers appears to be an important factor in the Mössbauer measurements when the thin films are studied in external magnetic field. In der Natur gibt es viele Beispiele für geordnete Strukturen, die inspirierende Modelle für die Entwicklung intelligenter Materialien sind. Dieser Ansatz basiert darauf sich die Struktur-Eigenschafts Beziehungen zunutze zu machen, um neue Materialien zu entwerfen, deren Anwendungen auf ihrer strukturellen Beschaffenheit basieren. Die in dieser Dissertation präsentierte Arbeit hebt diese Idee hervor, indem sie sich der vielfältigen Eigenschaften speziell entworfener hybrider Braggstapel aus unterschiedlichen Polymeren und Nanopartikeln bedient. Diese Arbeit ist eine Zusammenstellung einer Vielzahl an mehrschichtigen Systemen sowie deren Herstellung und detaillierte Analyse ihrer phononischen, mechanischen und magnetischen Eigenschaften. Insbesondere werden eindimensionale phononische Kristalle ausführlich untersucht, um Möglichkeiten zu entwickeln, die es erlauben den Fluss der Verformungsenergie zu beeinflussen und eine volle Beschreibung der phononischen Bandstrukturen zu erhalten. Phononische Bandstrukturen sind essentiell für ein tieferes Verständnis der grundlegenden Konzepte des Gitterbeitrags zur Wärmeleitfähigkeit und akustisch-optische Wechselwirkungen. Darüber hinaus kann dadurch die Ausbreitung von elastischen Wellen in periodischen Materialien beeinflusst und kontrolliert werden. Eindimensionale phononische Strukturen, im Ultraschallbereich, werden mit einem hohen Grad an Kontrolle mittels einer weichen Materie Synthese (soft matter approach) hergestellt und mittels zerstörungsfreier Brillouinlichtspektroskopie (BLS) analysiert. Hybride Braggstapel, die aus alternierenden Schichten aus Polymethylmethacrylat (PMMA) und porösen Silica (p-SiO2) bestehen, werden auf einem Glasträger durch Rotationsbeschichtung (spin coating), im Gegensatz zu konventionellen Halbleiterherstellungsmethoden, aufgebracht. Die vielschichtigen Stapel besitzen große und wohldefinierte Bandlücken im Gigahertzbereich (GHz) und zeigen eine richtungsabhängige Ausbreitung elastischer Wellen. Die komplementierten experimentellen und theoretischen Dispersionsdiagramme werden vollständig in Richtung und orthogonal zur Stapelrichtung der PMMA/p-SiO2 Braggstapel erklärt. Die Intensitäten des unteren und oberen phononischen Zweigs, die Breite der Bandlücke sowie die Frequenzen der Phononen zeigen eine starke Abhängigkeit von den strukturellen Parametern der untersuchten phononischen Strukturen. Ferner werden die Elastizitätsmoduln und elasto-optischen Koeffizienten der individuellen Schichten abgeschätzt. Der Einfallswinkel beeinflusst die Ausbreitung der Phononen in signifikanter Weise und ermöglicht es die phononische Bandlücke zu konstruieren und eine Abschätzung der Schermoduln der Bestandteile vorzunehmen. Die Phononendispersion ist robust gegenüber fertigungsbedingten strukturellen Fehlordnungen. Ein zweiter Ansatz zur Konstruktion von Bandlücken in eindimensionalen hypersonischen phononischen Kristallen ist das gezielte Einbringen von Defekten in ansonsten ideale Supergitter. Die leichte Herstellung von PMMA/p-SiO2 Supergittern mit hervorragender Kontrolle vereinfacht die defektkontrollierte Ultraschallausbreitung. Diese Arbeit beinhaltet die Darstellung und Charakterisierung von hybriden Supergittern aus PMMA und p-SiO2 mit Oberflächen oder internen Defektschichten oder einer Kombination aus beidem. Dies stellt die erste Beobachtung von Oberflächen- und internen Moden in phononischen Supergittern, basierend auf weicher Materie, und deren resultierende Wechselwirkung dar. Defekte werden durch eine Variation des Materials, der Dicke oder der Position der Oberflächen- und internen Defektschichten in das vormals perfekte phononische Gitter eingebracht. Diese umfassende Studie behandelt eine vollständige theoretische Beschreibung des Bändermodells basierend auf der Greenschen Funktionsmethode zusätzlich zu den experimentellen Phononendispersionsdaten. Es wird gezeigt, dass durch einen Symmetriebruch der hohen Symmetrie in dem phononischen Supergitter eine Möglichkeit besteht die Bandstruktur zu beeinflussen sowie die Wechselwirkung zwischen den unterschiedlichen Defektmoden zu untersuchen. Solche phononischen Strukturen mit kontrollierten Defekten verfügen über ein optisches Stopband zusätzlich zur phononischen Bandlücke und qualifizieren sich damit als phoxonisch. Die Stärke und Belastbarkeit vieler Verbundmaterialien in der Natur liefert die Motivation zur Herstellung künstlicher Strukturen mit ebendiesen guten mechanischen Eigenschaften. Als Inspirationsquelle dient Perlmutt mit dessen hoher Widerstandfähigkeit und der adhäsive Charakter von Muschelkleber durch DOPA. In Analogie werden Mehrschichtsysteme aus einem catecholreichen Polymer (DOPA-polymer) und Eisenoxidnanopartikeln (Fe3O4) durch Rotationsbeschichtung hergestellt. Die Kombination aus alternierenden einzelnen weichen und harten Schichten wird durch die starken Wechselwirkungen zwischen DOPA und den Eisenoxidnanopartikeln gefestigt und bewirkt, dass die resultieren vernetzten Schichten das Kompositmaterial hart und robust machen. Nanoindentierungsstudien zeigen sehr hohe Werte für den Elastizitätsmodul (in GPa) und Härte. Die Hybridvielschichten können als multifunktionale adhäsive Beschichtungen verwendet werden. Darüber hinaus scheint die strukturelle Anordnung der hybriden Multilayer einen wichtigen Faktor in den Mössbauermessungen darzustellen, wenn die dünnen Filme in einem externen Magnetfeld gemessen werden.
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-2495
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000004686
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	144 S.
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