Porous hybrid materials as carrier for polymeric waveguides

Abstract

In dieser Arbeit wurden silikatbasierende transparente nanoporöse Monolithen und dünne Schichten hergestellt und auf ihre Eignung als Trägermaterial für polymere Lichtwellenleiterbahnen geprüft.<br />Solche Systeme haben Potential für den Einsatz in der Leiterplattentechnik, um mittels generieren von optischen Verbindungen via Zwei Photonen Polymerisation (TPP) vorgegebene elektronische Komponenten nachträglich miteinander zu verbinden. Durch die Zugabe des Siliziumprecursors Tetramethoxysilane (TMOS) zu einem lyotropischen flüssigkristallingen (LCC) L3 Phasen Template konnte ein durchgehend nanoporöses Trägermaterial mit einem einstellbarem Porendurchmesser von 80 - 280 nm hergestellt werden, welches sich zur Infiltration durch ein Monomer eignete. Um die mechanischen Eigenschaften des Materials zu verbessern, wurden anorganische-organische Hybridmoleküle auf Basis von Polyethylenglykol in verschiedener Kettenlänge as Co-Precursor hinzugegeben. Nach aushärten einer Mischung aus TMOS und Co-Precursors, konnte das eingesetzte Template mittels Lösungsmittel und, bei monolithischen Proben, zusätzlicher Soxhlet Extraktion wieder entfernt werden. Anschließend wurde ein geeignetes Acrylat-Monomer infiltriert und durch UV-Bestrahlung gehärtet. Die Wahl des Monomers musste hinsichtlich eines Brechungsindexunterschiedes von nD20 [Größer gleich] 0.02 zwischen Träger und Leiterbahn bei zusätzlich erhaltener Transparenz des Gesamtsystems getroffen werden. Thermogravimetrische Analysen zeigten die Zersetzung des Trägermateriales als auch den Gehalt an aufgenommenem Monomer in den Poren, deren Größe und Verteilung mittels Atomic Force Microscopy erfasst wurde. Durch Nano Indentation konnte mit steigender Co-Precursor Konzentration und mit länger werdender Polyethylenglykol-Kettenlänge eine Abnahme von Indentation-Härte und Indentation-Moduls festgestellt werden, resultierend in einer erhöhten Resistenz gegen Rissbildung im Material.<br />Schlussendlich wurden auch noch erfolgreich erste Versuche zur Strukturierung von Lichtwellenleitern im Trägermaterial mittels TPP unternommen.<br />

In this work, silica-based transparent nanoporous monoliths and thin films were investigated for use as carrier material for polymeric waveguides to be inscribed into the solid host structure by selective polymerization. Such an approach should enable also direct writing of waveguides as interconnects between pre-aligned components of integrated circuits by two photon polymerization (TPP). By adding the silica precursor tetramethoxysilane (TMOS) to a lyotropic liquid crystalline (LCC) L3 "sponge" phase template, a continuous nanoporous system with adjustable channel dimensions of about 80 - 280 nm was fabricated via sol-gel processing that could be infiltrated with monomer. The composition of the carrier was varied by adding various inorganic-organic hybrid compounds as co-precursor consisting of sol-gel compatible silica-heads with anorganic polyethyleneglycol spacer, in order to adjust the mechanical properties. After hardening of the precursor via sol-gel process, the template was removed by both solvent exchange and, as required for monolithic samples, additional Soxhlet extraction. The carrier material was infiltrated with an appropriate monomer, whereas the appropriate choice of the monomer ensured a refractive index gap between carrier and waveguide of nD20 [Größer gleich] 0.02 and full transparency, properties necessary to use the polymeric structures as effective waveguides. The materials properties were determined e.g. by thermogravimetrical analysis, nano indentation or atomic force microscopy cross-section. Last but not least, first successful tests to inscribe waveguides via TPP were carried out.