Azobenzene-functionalized molecular glasses for holographic applications

Titelangaben

Walker, Roland:
Azobenzene-functionalized molecular glasses for holographic applications.
Bayreuth , 2010
( Dissertation, 2010 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Holography is an optical imaging technique, with which an authentic copy of the original object can be created, even in the absence of the object itself. This means, that in contrast to conventional photography, the information of depth is not lost. Holography is based on writing an interference grating in a photosensitive volume element. Hereby two light sources are generating an interference pattern, which causes chemical or physical changes in the photosensitive material. By illumination of the stored diffraction grating, the original information can be reconstructed. One of the most important classes of photoaddressable chromophores utilized in holography are azobenzene compounds. Owing to the rich photochemistry of these chromophores, materials incorporating azobenzenes can be used as photoswitches, allowing fast and reversible control over the chemical, physical or optical properties of the entire system. Therefore, azobenzene-containing compounds are envisioned as smart light-responsive materials for various holographic applications. This thesis describes the synthesis and characterization of azobenzene-containing molecular glasses as well as their application as functional materials in specific holographic experiments. By utilizing a modular design principle, we were able to fine-tune their physical and photo-physical properties and optimize the molecular structure in view of the formation of surface relief nanostructures as well as inscription of holographic volume gratings. Understanding the formation of surface relief nanostructures and discovering ways of controlling the process is of importance, as uniform surface relief gratings (SRGs) with adjustable spacing and amplitude are of interest. Therefore a new series of azobenzene-containing molecular glasses based on a triphenylamine core has been synthesized and photo-physically characterized. A clear relationship between the chemical structure of these molecules and SRG build-up was established: the rate of formation and the maximal achievable amplitude of SRGs strongly depend on the optical susceptibility at the wavelength of the writing laser. Furthermore, we found that different polarizations of the laser beams also have a major influence. With this knowledge we were able to efficiently form SRGs with amplitude heights of up to 600 nm by tailoring the molecular structure of the material and selecting specific experimental conditions. Furthermore, it has been demonstrated that these surface patterns are stable enough to be transferred to a polymer surface with replica molding techniques. This concept has the potential to be practically applied for holographic optical elements. Holography is a most promising solution for optical data storage, as in contrast to conventional optical storage media, the entire volume of the medium is used instead of only a few thin layers. Unfortunately, current rewritable materials still exhibit certain challenges, most important, sufficiently fast writing times. Therefore, material concepts especially for improving the recording time as well as the long-term stability of holographic volume gratings are presented. By employing azobenzene-containing molecular glasses in blends with photoaddressable polymers, we were able to merge the excellent long-term stability of the polymer systems with the higher photo-physical sensitivity of the molecular glasses, thus creating a superior holographic material which combines the advantages of both material classes. In order to find a suitable blending material, we synthesized series of photochromic azobenzene-containing molecular glasses and screened them with respect to their photo-physical properties. The best combination of structural variations was chosen for the blending experiments. Already a blend comprising as less as ten wt% of molecular glass allowed us to decrease the holographic writing time of a photoaddressable block copolymer system by a factor of three while increasing the recording sensitivity by the factor five. In addition to molecular glasses with ordinary azobenzene chromophores we also examined low molecular weight materials functionalized with bisazobenzene moieties. This enabled us to achieve higher maximum refractive index modulations. Liquid-crystalline behaviour could be introduced with the incorporation of substituents at the bisazobenzene moiety. Subsequent investigations of the photo-physical properties revealed a long-term stable photo-orientation solely based on small molecular compounds, making such materials an interesting alternative to established systems. In summary, this thesis demonstrates that azobenzene-containing molecular glasses are a worthwile focus for research, as they are an amazingly versatile and adaptable class of materials suitable for a large number of different applications.

Abstract in weiterer Sprache

Holographie ist eine optische Abbildungstechnik, mit der eine authentische Kopie eines Objekts erschaffen werden kann, sogar in der Abwesenheit des Orginals. Dies bedeuted, dass im Gegensatz zur konventionellen Photographie, die Tiefeninformation nicht verloren geht. Holographie basiert auf dem Einschreiben eines Interferenzsgitters in ein photosensitives Volumenelement. Hierbei generieren zwei Lichtquellen ein Interferenzmuster, welches chemische oder physikalische Veränderungen im photosensitiven Material verursacht. Durch Beleuchtung des gespeicherten Gitters kann die ursprüngliche Information rekonstuiert werden. Eine der wichtigsten Klassen von photoaddressierbaren Chromophoren, welche in der Holographie benutzt werden, sind Azobenzoleinheiten. Aufgrund der ergiebigen Photochemie dieser Chromophore können Materialen welche Azoeinheiten enthalten, als effektive Photoschalter verwendet werden. Dies erlaubt eine schnelle und reversible lichtinduzierte Kontrolle über die chemischen, physikalischen oder optischen Eigenschaften des Gesamtsystems. Deshalb werden azobenzolhaltige molekulare Gläser potentiell als intelligente und photoschaltbare Materialen für eine Vielzahl von holographischen Anwendungen angesehen. Diese Arbeit beschreibt die erfolgreiche Synthese und Charakterisierung von azobenzolhaltigen molekularen Gläsern sowie ihre Anwendung als Funktionsmaterialien in bestimmten holographischen Experimenten. Mit Hilfe eines Baukastensystems ist es uns möglich ihre physikalischen und photo-physikalischen Eigenschaften genau einzustellen und ihre Molekülstruktur im Hinblick auf die Bildung von Oberflächennanostrukturen sowie holographische Volumengittern zu optimieren. Die Entstehung dieser Oberflächennanostrukturen zu verstehen und Wege zu finden diesen Prozess zu kontrollieren, ist von grosser Wichtigkeit, da einheitliche Oberflächengitter (SRGs) mit einstellbaren Intervallen und Amplituden von Interesse sind. Deshalb wurde eine neue Serie von azobenzolhaltigen molekularen Gläsern, basierend auf einem Triphenylamin-Kern, synthetisiert und photo-physikalisch charakterisiert. Ein klarer Zusammenhang zwischen der chemischen Struktur dieser Moleküle und des SRG-Aufbaus wurde hergestellt: die Bildungsgeschwindigkeit und die maximal erreichbare Amplitudenhöhe des SRGs sind stark von der optischen Suszeptibilität bei der Wellenlänge des Schreiblasers abhängig. Weiterhin haben wir gefunden, dass verschiedene Polarisationen der Laserstrahlen ebenfalls einen grossen Einfluss ausüben. Mit diesem Wissen konnten wir, durch massschneidern der Molekülstruktur des Materials und durch das Auswählen von spezifischen experimentellen Bedingungen, SRGs mit Amplitudenhöhen von bis 600 nm effizient ausbilden. Weiterhin wurde demonstriert, dass diese Oberflächenmuster stabil genug sind, um sie mit Hilfe von Replika-Techniken auf eine Polymeroberfläche zu transferieren. Dieses Konzept hat das Potential, für holographische, optische Elemente, in der Praxis eingesetzt zu werden. Die Holographie ist eine der am vielversprechensten Lösungen für die optische Datenspeicherung. Im Gegensatz zu konventionellen optischen Datenspeichern, wird hier das gesamte Volumen des Mediums ausgenutzt, anstatt nur wenige dünne Schichten. Unglücklicherweise weisen aktuelle wiederbeschreibbare Materialen noch immer Herrausforderungen auf. Die Entscheidenste ist eine ausreichend schnelle Schreibzeit zu erreichen. Aus diesem Grund, werden hier Materialkonzepte speziell für die Verbesserung der holographischen Schreibzeit sowie der Langzeitstabilität von holographischen Volumengittern präsentiert. Indem man azobenzolhaltige molekulare Gläser in Blends mit photoaddressierbaren Polymeren einsetzt, ist es uns möglich die exzellente Langzeitstabilität von Polymersystemen mit der höheren photo-physikalischen Sensitivität der molekularen Gläser zu verbinden. Damit schaffen wir ein optimiertes photoaddressierbares Material, dass die Vorteile beider Materialklassen kombiniert. Um ein geeignetes Blendmaterial zu finden, haben wir Serien von photochromen azobenzolhaltigen molekularen Gläsern synthetisiert und im Bezug auf ihre photo-physikalischen Eigenschaften überprüft. Die beste Kombination an strukturellen Variationen wurde für die Blend-Experimente ausgewählt. Schon ein Blend mit einem Anteil von gerade einmal zehn Gewichtsprozent von molekularem Glas, erlaubte es uns, die holographische Schreibzeit eines photoaddressierbaren Blockcopolymers um den Faktor drei zu vergrössern und gleichzeitig die Sensitivität des Einschreibprozesses um den Faktor fünf zu erhöhen. Zusätzlich zu molekularen Gläsern mit gewöhnlichen Azobenzol-chromophoren, haben wir auch niedermolekulare, mit Bisazobenzoleinheiten funktionalisierte Materialien untersucht. Dies ermöglichte es uns eine höhere maximal erreichbare Brechungsindexmodulation zu erhalten. Flüssigkristallines Verhalten konnte durch die Einführung von Substituenten an der Bisazobenzoleinheit induziert werden. Darauffolgende Untersuchungen der photo-physikalischen Eigenschaften haben eine stabile Photoorientierung erkennen lassen, welche nur auf niedermolekularen Verbindungen basiert. Dies macht solche Materialien zu einer interessanten Alternative für bereits etablierten Systeme. Zusammenfassend demonstriert diese Doktorarbeit, dass azobenzolhaltige molekulare Gläser ein lohnenswerter Forschungsschwerpunkt sind, da sie eine erstaunlich vielseitige und anpassungsfähige Materialklasse darstellen, welche für eine grosse Anzahl verschiedener Anwendungen geeignet ist.