עיצוב פולימרים Additive עם תכונות אופטיות בלתי ניתנות לתמונות Photonic Applications

תוספת פולימרים ל Photonics

פולימרים כבר מזמן מוערכים עבור הטבע הקל, גמיש, ותהליךי שלהם, אבל היכולות האופטיות שלהם היו מוגבלות בתחילה.התקדמות בכימיה פולימרית שינתה את הפרדיגמה הזאת, המאפשרת עיצוב של פולימרים תוספים שתכונות אופטיות שלהם - שקיפות, אינדקס השבירה, סופגנות, ו luminescence - יכול להיות מותאם בדיוק ליישומים פוטוניים.

פולימרים אדקטיבית הם נפרדים כי הם מאפשרים שליטה ברמת מולקולרית במהלך סינתזה. על ידי בחירה קפדנית מונומרים ותנאי תגובה, מדענים יכולים לתכנן התנהגות אופטית הרצויה לתוך עמוד השדרה או רשתות צד. טונה זו מגשרת את הפער בין פולימרים מסורתיים amorphous ואת גביש גבישי בחומרים אופטיים אופטיים אורגניים, המציע אלטרנטיבה יעילה, מדרגית עבור פוטוניקה הבאה.

מימון של פולימר אופטיקה

אור - אינטראקציה בפולימרים

תכונות אופטיות עולות מאיך מולקולות פולימר אינטראקציה עם קרינה אלקטרומגנטית. פרמטרים מרכזיים כוללים:

מקור: Molecular Structure

ההרכב הכימי של יחידת ההחזרה מכתיב את רמות הפולימרים והאנרגיה של ה- Aromatic moieties להגדיל את מדד השבירה עקב צפיפות אלקטרון גבוהה, בעוד שמגזרים אלphatic מורידים אותו. Conjugated פולימרים (למשל, פוליפלואורנס, פולית'יופנוס) מציגים תכונות סמיכות וקליטה / הרשאות גלויות חזקות, מה שהופך אותם לתקני פוטוניקה אטרקטיביים.

תואמים שרשרת פולימר גם את העניינים.סדר, אזורי גביש בדרך כלל יש אינדקס יותר רפלקאקטיבי מאשר אזורים amorphous.שליטה ברמת הקריסטליניות באמצעות היסטוריה תרמית או תנאי עיבוד מאפשר כוונון עדין של התנהגות אופטית.

אסטרטגיות להתאמה של תכונות אופטיות

שינוי כימי של מונומר

קבוצות פונקציונליות עם קוטביות גבוהה - כגון halogens, sulfur, או אטומי מתכת כבדים - ניתן לשלב כדי להעלות אינדקס השבירה.לדוגמה, פולימרים פלואורידים מורידים הן אינדקס השביר והן אובדן ספיגה, אשר מועיל עבור אורכי גל תקשורת.

המונחים: Copolymerization

אקראי, שינוי, או בלוק copolymers לשלב מונומרים עם דמויות אופטיות שונות. אסטרטגיה נפוצה הוא copolymerizing מונומר באיכות גבוהה שלrefractive-index עם נמוך-refractive-index אחד כדי להשיג ערך ביניים הרצוי. Gradient refractive אינדקס (IN) חומרים ניתן ליצור על ידי חיבור שונה לאורך עובי, המאפשר עיצובים.

עקבו אחרי ננו חלקיקים ו-Dyes

Embedding nanoparticles אורגני (למשל, TiO2, ZrO2, קוונטי dots) מגביר את אינדקס השבירה ומציג תכונות ספיגה / הרשה חדשות. הגודל, צורה, פיזור, וריכוז חייב להיות נשלט כדי למנוע ggregation ופיזור.צבעים אורגניים או מורכבים נדירים-earth יכול גם לעשות לתוך הפולימר כדי להשיג מטריקס ספציפי.

בקרת מבנה באמצעות עיבוד

טכניקות כמו אלקטרו-סמונים, ליתוגרפיה מודפסת, והפרדה מיקרו-phase מאפשרות מניפולציה של מורפולוגיה פולימרית במיקרו- וננומטריות. מבני קריסטל פוטוניקה, למשל, ניתן לפוצץ על ידי הערכה עצמית של copolymers או על ידי כתיבה לייזר ישירה, יצירת וריאציות תקופתיות באינדקס השביראקטיבי שפועלות כמו מראות או reggson.

יישומים פוטוניים מרכזיים

חיישנים אופטיים

פולימרים אדקטינים עם photoluminescence או refractive שינויים בתגובה אריות הם בשימוש נרחב ברגישות כימית וביולוגית.לדוגמה, פולימרים משלבים porphyrins או מונומרים פלואורסנט יכולים לזהות ions מתכת, pH, או גזים.הרגישות גבוהה, תגובה מהירה, פוטנציאל למינירטוט להפוך אותם אידיאליים עבור כלים אבחון.

המונחים: Integrated Optics

מודטים גל פולימר, עם ניגודים מותאמים לאינדקס בין ליבת וחיפוי, מאפשרים שידור נמוך של אותות אופטיים בתקשורת נתונים ופלטפורמות רגישות. פולימרים אדקטיבית ניתן לעצב באמצעות photolithography או הדפסה ישירה, פשט את המרקם.הגמישות שלהם גם מאפשר הוראות גל תואמים עבור photonics.

תצוגות ו תאורה

אורגני אור-המיטה דידות (OLEDs) להסתמך על פולימרים ארכיטיביים שניתן לכוון כדי לייצר צבעים ספציפיים על פני הספקטרום הנראה לעין. פולימרים אדקטיבית משמשים גם כמארחים עבור צבעי זרחן או dots קוונטיים, שיפור יעילות וטוהר צבע.בנוסף, מדריכים אור מבוסס פולימר ו diffusers מאפשרים תאורה אחורית אחידה בתצוגות גבישיות.

לייזרים ומגבר

לייזרים חד-ארציים מציעים מקורות קומפקטיים, גל באורך-כיפוף.על ידי שימוש בצבע לייזר או באמצעות פולימרים מזוהים כהשגת מדיה, ניתן להשיג lasing בסרטים דקים.ספקטרום הרווח יכול להיות מותאם על ידי עיצוב מולקולרי, תמיכה יישומים מspectroscopy לאבחון רפואי.FLT:0ACS Photosnics סקירה על לייזרים פולימרים

טכניקות אפיון

שיטות ספציפיות

ספיגת UV-Vis ו photoluminescence spectroscopy לחשוף מעברים אלקטרוניים. אלlipsometry אמצעים refractive index ועובי סרט עם דיוק גבוה. Raman ו- אינפרא אדום בדיקת רטט מולקולרית וגילוי שינויים כימיים.עבור תכונות אופטיות לא ליניאריות, Z-scan ו השני-harm מדידות משמשים.

ניתוח מבני

דיפרקציה רנטגן ופיזור קטן לתת מידע על גבישיות ונונומטרי מורפיוולוגיה. אטומי כוח microscopy (AFM) וסורק מיקרוסקופיה אלקטרונים (SEM) הדמיה של שלב הפרדה או תכונות פני השטח המשפיעות על פיזור.

ביצועים Metrics

אובדן אופטי במדרי גל נמדד באמצעות שיטות קיצוץ או פברי-פירוט.הגורם האיכותי של ה resonators וסף לייזר לכמת ביצועי המכשיר.תמונותtability ויציבות תרמית הם קריטיים לאמינות ארוכת טווח.

אתגרים ופתרונות

סחר-Off בין אינדקס סרבראקטיבי ושקיפות

אסטרטגיות רבות אשר מגבירות את מדד השבירה (למשל, אטומים כבדים או תוכן ארומטי) גם מגבירות את ספיגה בטווח הנראה לעין. איזון חייב להיות פגע, לעתים קרובות מושגת על ידי עיצוב פולימרים hyperbranched או dendritic כי ממזער את הפיזור תוך שמירה על צפיפות אלקטרון גבוהה.

יציבות סביבתית ומבצעית

פולימרים יכולים לגרוע מתחת לחשיפה של UV, טמפרטורה גבוהה או לחות.שילוב תמונות, קישור בין-קשר, או שימוש ציפויי הגנה מרחיבים את חיי המכשיר.פיתוח פולימרים יציבים באופן פנימי (למשל, עם עצמות אחוריות קשיחות) הוא אזור מחקר פעיל.

ייצור סקאלה

בעוד פולימרים תוספים הם פתרון מטבעם, השגת איכות אופטית אחידה על אזורים גדולים עדיין מאתגר.התקדמות בטכנולוגיות הדפסה וציפוי (Slot-die, דיוג'ט, גרורות) מטפלות בכך.השימוש בעיבוד רול-to-roll מבטיח ייצור זול עבור חיישניים חד-פעמיים או תצוגות גמישות.

כיוונים עתידיים

חומרים בעלי השראה ו Sustainable

Exploring פולימרים נגזר משאבים מתחדשים (למשל, cellulose, lignin) ועיצוב אופטיקה ביו-דידה יכול להפחית את ההשפעה הסביבתית. מבנים ביומטיים, כגון אלה מחקים משטחים אנטי-פרגניים מעוות עין, מפותחים גם באמצעות גישות פולימרים תוספים.

Machine Learning and High- Throughput Screening

בינה מלאכותית יכולה לחזות תכונות אופטיות של מועמדים פולימרים חדשים המבוססים על מבנים מונומר. High-באמצעותput סינתזה ופלטפורמות אפיון להאיץ את גילוי ההרכבים האופטימליים, צמצום מחזור הניסוי והטרור.

מערכות אורגניות-איורגניות

שילוב פולימרים תוספים עם דוטים קוונטיים, perovskites, או photonics סיליקון יוצר מכשירים היברידיים המנצלים את הטוב ביותר של שני העולמות.לדוגמה, צינורות גל מאוישים פולימר יכול ממשק עם שבבים פוטוניים סיליקון ללא בעיות תואמים אינדקס.

תצורה מחדש ואופטיקה הסתגלות

פולימרים סטרימיים-responsive (פוטוכרומטי, אלקטרו-כרומי, או mechanochromic) יכולים לשנות באופן דינמי את התכונות האופטיות שלהם בתגובה לגירויים חיצוניים.זה פותח דלתות לחלונות חכמים, עדשות הסתגלות וחיישנים עם רגישות טוטלית.

מסקנה

(עיצוב פולימרים עם טוטלי אופטי תכונות מייצג שדה תוסס ומעמיק.על ידי שליטה במערכת היחסים בין מבנה מולקולרי ואינטראקציה קלה, החוקרים יצרו חומרים המספקים את הדרישות התובעניות של פוטוניקה המודרנית.משינויים כימיים ו copolymerization כדי לעשות וננוורינג, תיבת כלים מגוונת קיימת כדי להתאים מחדש אינדקס, ספיגה, פליטה, ופליטות אלה נמצאים כעת בחיישנים, גל, תצוגות לייזרים, וטכנולוגיות אבטחה נוספות, מעבר לחדשנות יעילה יותר, חומרים אמפרטיבית.