Physik und Chemie der Makromoleküle. Polymere in der Informationstechnologie

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1 Dielektrische Eigenschaften Physik und Chemie der Makromoleküle Polymere in der Informationstechnologie 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 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 = (SiO 2 ) bzw. ε = 7 10 (Si 3 N 4 ). Polymere in der Informationstechnologie 1

2 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 ˆ = n = ( n k ) i(2 nk) = ' " ε ε ε Der Imaginärteil des Brechungsindexes ist die Absorptionskonstante, sie ist mit dem üblichen (Intensitäts-) Absorptionskoeffizienten α ( I = I exp( αd) 0 ) verknüpft durch α = 4π 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 OH- Oberschwingungen 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 10 1 db, 1500 nm 10 5 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

3 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 b c d Polymere in der Informationstechnologie 3

4 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 I(x) b 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 P E EE EEE i = ε0 ( ε 1) j + χ j k + χ j k l+... 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 ) und dem Kerr-Effekt ( χ ). 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

5 Rein nichtlinear optische Effekte sind Frequenzverdopplung, Frequenzmischung ( χ ), bzw. der intensitätsabhängige Brechungsindex, entartetes Vierwellenmischen und die optische Phasenkonjugation ( χ ). Aus Symmetriegründen darf ein makroskopisches System für einen χ -Effekt keine Inversionssymmetrie besitzen. Dipolmoleküle müssen also z.b. im elektrischen Feld zuerst gepolt werden. Typische Materialien für χ -Effekte sind Seitenkettenpolymere, z.b. mit dem Chromophor Diaminonitrostilben (DANS). O H 3 C N NO 2 n Für χ -Effekte sind konjugierte Polymere wie Polyacetylen oder Polythiophen am vielversprechendsten. Polymere in der Informationstechnologie 5