Photoresponsive nanocomposites for photopatterning : integration of a photoresponsive polymer and upconverting nanoparticles

Abstract

Die Eigenschaften photoresponsiver Materialien lassen sich durch Licht verändern. Die Herausforderung ist, Materialien herzustellen, bei denen sich relevante Eigenschaften reversibel ändern. In dieser Arbeit wurden neuartige photoresponsive Nanokomposite zur Photostrukturierung entwickelt. Diese Nanokomposite bestehen aus einem azobenzolhaltigen Polymer (Azopolymer), und aufkonvertierender Nanopartikel (UCNPs). Azopolymere zeigen eine reversible cis-trans Photoisomerisierung, die zu Photochromie, photoschaltbaren Glasübergangstemperaturen (Tg) und photoinduzierten Orientierungen führt. UCNPs absorbieren zwei oder mehr Photonen im nahen Infrarot (NIR) und emittieren Licht kürzerer Wellenlänge (blau, UV). Diese Aufkonversion ist bei anorganischen Nanopartikeln oft effizienter als bei organischen Molekülen. Das Komposit hat im Vergleich zum reinen Azobenzol-Polymer zwei potentielle Vorteile: NIR-Licht dringt tiefer ins Material ein und die Auflösung wird durch die Notwendigkeit von zwei oder mehr Photonen besser. Ziel der Arbeit ist, ein Material zum fälschungssicheren Beschriften zu designen. Die photoresponsiven Komposite ermöglichen die Erzeugung verschiedener fälschungssicherer Merkmale. Dazu gehören Farbwechsel-Strukturen, photonische Strukturen und Strukturen, die von der Polarisation abhängig sind. Die Fähigkeit der UCNPs, NIR-Licht in sichtbares Licht umzuwandeln, führt zu kontrastreicher Farbe, Struktur und polarisationsabhängiger Aufkonversions-Lumineszenz innerhalb des Nanokomposits. Darüber hinaus lässt sich dieses Nanokomposit gut verarbeiten und kann bequem auf verschiedene Gegenstände aufgetragen werden, wie Banknoten, Wein-Etiketten und Medikamentverpackungen. Die Kombination des Azopolymers mit den UCNPs ist damit interessant als photoresponsives, fälschungssicheres Material. Obwohl es bereits erfolgreich möglich ist, 2D-Fotomuster mithilfe von Fotomasken herzustellen, stellt die präzise Herstellung dreidimensionaler (3D) Muster durch Laserdirektschreiben nach wie vor eine große Herausforderung dar und bleibt dennoch äußerst attraktiv. Dazu habe ich ein dreidimensionales (3D) Photonen-Upconversion-Direktlithographiesystem (PUDL) entwickelt. Das System umfasst eine Objektivlinse, um den von einem kostengünstigen Dauerstrich-NIR-Laser emittierten Strahl zu fokussieren. Die Fokusposition bleibt fixiert, während der motorisierte 3D-Probentisch manipuliert wird. Dadurch lassen sich 3D-Mustern in einem Nanokompositfilm erzeugen. Azobenzol zeigt ein bemerkenswertes Phänomen, das als photoinduzierte Orientierung bekannt ist. Dieses Phänomen tritt auf, da sich die Chromophore in einem Azopolymerfilm sich in einer Ausrichtung senkrecht zur Polarisationsrichtung des einfallenden linear polarisierten Lichts organisieren. Vor der Belichtung wurden die Azobenzol-Gruppen im Nanokompositfilm durch polarisiertes UV und blaues Licht orientiert. Bei Einwirkung von NIR-Licht induzierte das aufkonvertierte UV- und blaue Licht eine kontinuierliche trans-cis-trans-Isomerisierung der Azobenzolmoleküle. Diese anhaltende Isomerisierung störte die anfängliche molekulare Ausrichtung, was dazu führte, dass die Azobenzole zufällige Orientierungen annehmen. Dadurch konnten Muster mit unterschiedlichen Ausrichtungen erzeugt werden, die mit einem polarisierten optischen Mikroskop und im Reflexionsmodus eines konfokalen Mikroskops beobachtet werden konnten. Unsere Forschung führt einen vielversprechenden Ansatz zur optischen Aufzeichnung ein und stellt einen bedeutenden Fortschritt in der 3D-Fotolithographie dar.