Synthesis and evaluation of novel initiators for the two-photon induced photopolymerization process : a precise tool for real 3D sub-micrometer laser structuring

Abstract

Die Zwei-Photonen induzierte Photopolymerisation (TPIP) ist eine Strukturierungstechnik für komplexe 3D Formteile mit der höchste Auflösung (~100 nm) unterhalb der Wellenlänge der eingestrahlten Laserwellenlänge erreicht werden können. Dieses nichtlinear optische Verfahren eignet ausgezeichnet sich für diverse "Zukunftstechnologien". Die Entwicklung von optimierten Zwei-Photonen Initiatoren (TPIs) ist hierfür essentiell, um den hohen Ansprüchen an diese Technik gerecht zu werden. Deshalb wird im Zuge dieser Dissertation die Synthese und Charakterisierung einer Reihe von quadropolaren TPIs präsentiert. Die neuen TPIs wurden hinsichtlich ihrer photophysikalischen Eigenschaften untersucht und deren Initiierungsmechanismus charakterisiert. Zusätzlich wurden sowohl die Ein- als auch die Zwei-Photonen Aktivität der Verbindungen bestimmt. Es zeigte sich zwar eine geringe Ein Photonen Aktivität aber ein exzellentes Zwei-Photonen Initiierungsverhalten.<br />Mittels TPIP Struktrierungstests wurde für jeden TPI die idealen Bauparameter bestimmt. Desweiteren wurden die neuen TPIs mit kommerziellen Ein-Photonen Initiatoren als auch hoch effizienten TPIs aus der Literatur verglichen. Es zeigte sich, dass die neuen TPIs selbst bei niedrigsten Konzentrationen (0.05 wt%) hoch aktiv sind. Dadurch konnten höchste Auflösungen (~250 nm) bei geringen Laserintensitäten und schnellen Schreibgeschwindigkeiten bei einem breiten idealen Baufenster erzielt werden. Aufgrund dieser Vorteile wurde die neuen TPIs in Kooperation mit verschiedenen Forschungsgruppen für die erfolgreiche Strukturierung von Polymer-basierten Lichtwellenleitern und für Gerüststrukturen in biologischen Anwendungen verwendet.<br />

The two-photon induced photopolymerization (TPIP) process has attracted much attention of researchers in the last decade due the high spatial fabrication resolution (~100 nm) of shapes and components below the diffraction limit of the used wavelength. This nonlinear optical method has opened the way for potential "future" applications in various fields. The development of optimized two-photon initiators (TPIs) is essential in order to fulfill the challenging requirements on this technique. Therefore, within this thesis the synthesis and characterization of a series of quadropolar, cross conjugated D-pi-A-pi-D-based TPIs is presented. These novel TPIs were analyzed using various techniques to determine their one- and two-photon photophysical properties and initiation mechanism. Moreover, the one- and two-photon activity in photopolymerization processes were tested showing a poor one-photon but an excellent two-photon activity. In the TPIP structuring tests the ideal building parameters for each initiator were determined at various TPIP devices. The presented TPIs were compared with typically commercially available one-photon initiators as well as highly potential TPIs from literature. These tests figured out that the novel TPIs are highly potential even at low concentrations (down to 0.05 wt%), allowing highest resolutions (~250 nm) at low laser intensities and high feed rates with a broad ideal processing window. As a result, these novel TPIs were successfully applied for structuring polymer-based waveguides in cooperation with different research groups and for structuring scaffolds for biomedical applications.