Полимер с высоким показателем преломления
Полимер с высоким показателем преломления (HRIP) — это полимер которого , показатель преломления превышает 1,50. [1]
Такие материалы необходимы для антибликового покрытия и фотонных устройств, таких как светоизлучающие диоды (СИД) и датчики изображения . [1] [2] [3] Показатель преломления полимера зависит от нескольких факторов, включая поляризуемость , гибкость цепи, молекулярную геометрию и ориентацию основной цепи полимера. [4] [5]
По состоянию на 2004 год самый высокий показатель преломления полимера составлял 1,76. [6] с высоким n Заместители с высокими молярными долями или наночастицами в полимерную матрицу были введены для увеличения показателя преломления в полимерах. [7]
Характеристики
[ редактировать ]Показатель преломления
[ редактировать ]Типичный полимер имеет показатель преломления 1,30–1,70, но для конкретных применений часто требуется более высокий показатель преломления. Показатель преломления связан с молярной преломляемостью , структурой и массой мономера. В общем, высокая молярная преломляемость и низкие молярные объемы увеличивают показатель преломления полимера. [1]
Оптические свойства
[ редактировать ]Оптическая дисперсия является важным свойством HRIP. Оно характеризуется числом Аббе . Материал с высоким показателем преломления обычно имеет небольшое число Аббе или высокую оптическую дисперсию. [8] Для многих приложений требуется низкое двулучепреломление наряду с высоким показателем преломления. Этого можно достичь, используя различные функциональные группы в исходном мономере для получения HRIP. Ароматические мономеры увеличивают показатель преломления и уменьшают оптическую анизотропию и, следовательно, двойное лучепреломление. [7]
Высокая прозрачность (оптическая прозрачность) также желательна для полимера с высоким показателем преломления. Прозрачность зависит от показателей преломления полимера и исходного мономера. [9]
Термическая стабильность
[ редактировать ]При рассмотрении термической стабильности типичные измеряемые переменные включают стеклование , начальную температуру разложения , температуру разложения и диапазон температур плавления . [2] Термическую стабильность можно измерить термогравиметрическим анализом и дифференциальной сканирующей калориметрией . Полиэфиры считаются термически стабильными, их температура разложения составляет 410 °C. Температура разложения меняется в зависимости от заместителя, который присоединен к мономеру, используемому при полимеризации полимера с высоким показателем преломления. Таким образом, более длинные алкильные заместители приводят к снижению термической стабильности. [7]
Растворимость
[ редактировать ]В большинстве случаев предпочтение отдается полимерам, растворимым в как большем количестве растворителей можно и полиимиды с высокой преломляющей способностью . Полиэфиры растворимы в обычных органических растворителях, таких как дихлорметан , метанол , гексаны , ацетон и толуол . [2] [7]
Синтез
[ редактировать ]Маршрут синтеза зависит от типа HRIP. Полиприсоединение Михаэля используется для полиимида, поскольку его можно проводить при комнатной температуре и использовать для ступенчатой полимеризации . Этот синтез впервые был осуществлен с использованием полиимидотиэфиров, в результате чего были получены оптически прозрачные полимеры с высоким показателем преломления. [2] Реакции поликонденсации также часто используются для получения полимеров с высоким показателем преломления, таких как полиэфиры и полифосфонаты. [7] [10]
Типы
[ редактировать ]Высокие показатели преломления были достигнуты либо за счет введения заместителей с высокими молярными преломлениями (собственные HRIP), либо за счет сочетания наночастиц с высоким n с полимерными матрицами (нанокомпозиты HRIP).
Внутренний HRIP
[ редактировать ]Серосодержащие заместители, включая линейный тиоэфир и сульфон , циклический тиофен , тиадиазол и тиантрен, являются наиболее часто используемыми группами для увеличения показателя преломления полимера. [11] [12] [13] Полимеры с богатыми серой тиантреновыми и тетратиаантраценовыми фрагментами имеют значения n выше 1,72 в зависимости от степени молекулярной упаковки.
Галогенные элементы, особенно бром и йод , были первыми компонентами, использованными для разработки HRIP. В 1992 году Гаудиана и др. сообщили о серии полиметилакрилатных соединений, содержащих боковые бромированные и йодированные карбазольные кольца. Они имели показатели преломления 1,67–1,77 в зависимости от компонентов и количества галогенных заместителей. [14] Однако недавнее применение галогенных элементов в микроэлектронике было строго ограничено директивой WEEE и законодательством RoHS, принятым Европейским Союзом для снижения потенциального загрязнения окружающей среды. [15]
Фосфорсодержащие группы, такие как фосфонаты и фосфазены , часто обладают высокой молярной рефракцией и оптическим пропусканием в области видимого света. [3] [16] [17] Полифосфонаты имеют высокие показатели преломления благодаря фосфорному фрагменту, даже если они имеют химическую структуру, аналогичную поликарбонатам . [18] Шейвер и др. сообщили о серии полифосфонатов с различным остовом, достигнув самого высокого показателя преломления, зарегистрированного для полифосфонатов, равного 1,66. [10] Кроме того, полифосфонаты обладают хорошей термостабильностью и оптической прозрачностью; они также подходят для литья в пластиковые линзы. [19]
Металлоорганические компоненты приводят к получению HRIP с хорошей пленкообразующей способностью и относительно низкой оптической дисперсией. Полиферроценилсиланы [20] а полиферроцены , содержащие фосфорные спейсеры и фенильные боковые цепи, демонстрируют необычно высокие значения n (n = 1,74 и n = 1,72). [21] Они могут быть хорошими кандидатами на роль полностью полимерных фотонных устройств из-за их промежуточной оптической дисперсии между органическими полимерами и неорганическими стеклами .
HRIP нанокомпозит
[ редактировать ]Гибридные методы, сочетающие матрицу органического полимера с неорганическими наночастицами с высокой преломляющей способностью, могут привести к высоким значениям n. Факторы, влияющие на показатель преломления нанокомпозита с высоким n, включают характеристики полимерной матрицы, наночастиц игибридная технология между неорганическими и органическими компонентами. Показатель преломления нанокомпозита можно оценить как , где , и обозначают показатели преломления нанокомпозита, наночастицы и органической матрицы соответственно. и представляют объемные доли наночастиц и органической матрицы соответственно. [22] Нагрузка наночастиц также важна при разработке нанокомпозитов HRIP для оптических приложений, поскольку чрезмерные концентрации увеличивают оптические потери и снижают технологичность нанокомпозитов. На выбор наночастиц часто влияют их размер и характеристики поверхности. Для повышения оптической прозрачности и уменьшения рэлеевского рассеяния нанокомпозита диаметр наночастицы должен быть менее 25 нм. [23] Прямое смешивание наночастиц с полимерной матрицей часто приводит к нежелательной агрегации наночастиц – этого можно избежать путем модификации их поверхности. Наиболее часто используемые наночастицы для HRIP включают TiO 2 ( анатаз , n=2,45; рутил , n=2,70), [24] ZrO 2 (n=2,10), [25] аморфный кремний (n=4,23), PbS (n=4,20) [26] и ZnS (n=2,36). [27] Полиимиды имеют высокие показатели преломления и поэтому часто используются в качестве матрицы для наночастиц с высоким n. Полученные нанокомпозиты обладают перестраиваемым показателем преломления в диапазоне от 1,57 до 1,99. [28]
Приложения
[ редактировать ]Датчики изображения
[ редактировать ]Матрица микролинз является ключевым компонентом оптоэлектроники, оптической связи, КМОП- датчиков изображения и дисплеев . Микролинзы на основе полимеров легче изготовить и они более гибкие, чем обычные линзы на основе стекла. Полученные в результате устройства потребляют меньше энергии, имеют меньшие размеры и дешевле в производстве. [1]
Литография
[ редактировать ]Другое применение HRIP – иммерсионная литография . В 2009 году это была новая технология изготовления схем с использованием фоторезистов и жидкостей с высоким показателем преломления. Фоторезист должен иметь значение n более 1,90. Было показано, что неароматические серосодержащие HRIP являются лучшими материалами для системы оптического фоторезиста. [1]
светодиоды
[ редактировать ]Светоизлучающие диоды (LED) являются распространенным твердотельным источником света. Светодиоды высокой яркости (HBLED) часто ограничены относительно низкой эффективностью светоотведения из-за несоответствия показателей преломления материала светодиода ( GaN , n=2,5) и органического герметика ( эпоксидной смолы или силикона, n=1,5). Более высокая светоотдача может быть достигнута за счет использования HRIP в качестве герметика. [29]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и Цзинь-ган Лю; Мицуру Уэда (2009). «Полимер с высоким показателем преломления: фундаментальное и практическое применение». Дж. Матер. Хим . 19 (47): 8907. дои : 10.1039/B909690F .
- ^ Перейти обратно: а б с д Хун-Джу Йен; Гуэй-Шэн Лю (2010). «Простой подход к созданию оптически изотропных, бесцветных и термопластичных полиимидотиоэфиров с высоким показателем преломления». Дж. Матер. Хим . 20 (20): 4080. doi : 10.1039/c000087f . S2CID 55614500 .
- ^ Перейти обратно: а б Макдональд, Эмили К.; Шейвер, Майкл П. (1 января 2015 г.). «Полимеры с собственным высоким показателем преломления». Полимер Интернэшнл . 64 (1): 6–14. дои : 10.1002/pi.4821 . hdl : 20.500.11820/49b9098d-0731-4f39-8695-6ed2eb313f97 . ISSN 1097-0126 .
- ^ Ченг Ли; Чжо Ли; Цзинь-ган Лю; Сяо-цзюань Чжао; Хай-ся Ян; Ши Ён Ян (2010). «Синтез и характеристика органорастворимых полифенилхиноксалинов с тиоэфирными мостиками со сверхвысокими показателями преломления и низким двулучепреломлением». Полимер . 51 (17): 3851. doi : 10.1016/j.polymer.2010.06.035 .
- ^ Квансу Хан; У-Хёк Чан; Тэ Хён Ри (2000). «Синтез фторированных полиимидов и их применение в пассивных оптических волноводах». Дж. Прил. Полим. Наука . 77 (10): 2172. doi : 10.1002/1097-4628(20000906)77:10<2172::AID-APP10>3.0.CO;2-9 .
- ^ Наоки Садайори и Юджи Хотта «Поликарбодиимид с высоким показателем преломления и способ его получения» патент США 2004/0158021 A1 (2004).
- ^ Перейти обратно: а б с д и Рёта Сето; Такахиро Кодзима; Кацумото Хосокава; Ясухито Кояма; Гэн-ичи Кониси; Тошиказу Таката (2010). «Синтез и свойства 9,9-спиробифлуоренсодержащих ароматических полиэфиров как оптических полимеров с высоким показателем преломления и низким двойным лучепреломлением». Полимер . 51 (21): 4744. doi : 10.1016/j.polymer.2010.08.032 .
- ^ Тацухито Мацуда; Ясуаки Фунаэ; Масахиро Ёсида; Тэцуя Ямамото; Цуго Такая (2000). «Оптический материал из смолы с высоким показателем преломления, состоящей из серосодержащих ароматических метакрилатов». Дж. Прил. Полим. Наука . 76 : 50. doi : 10.1002/(SICI)1097-4628(20000404)76:1<50::AID-APP7>3.0.CO;2-X .
- ^ П. Нолан; М. Тиллин; Д. Коутс (1993). «Полимерно-дисперсные жидкокристаллические пленки высокой прозрачности в открытом состоянии». Жидкие кристаллы . 14 (2): 339. дои : 10.1080/02678299308027648 .
- ^ Перейти обратно: а б с Макдональд, Эмили К.; Лейси, Джозеф К.; Огура, Ичиро; Шейвер, Майкл П. (01 февраля 2017 г.). «Ароматические полифосфонаты как полимеры с высоким показателем преломления» . Европейский журнал полимеров . 87 : 14–23. doi : 10.1016/j.eurpolymj.2016.12.003 .
- ^ Цзинь-ган Лю; Ясухиро Накамура; Юджи Сибасаки; Синдзи Андо; Мицуру Уэда (2007). «Полиимиды с высоким показателем преломления, полученные из 2,7-бис (4-аминофениленсульфанил)тиантрена и ароматических диангидридов». Макромолекулы . 40 (13): 4614. Бибкод : 2007МаМол..40.4614L . дои : 10.1021/ma070706e .
- ^ Цзинь-Ган Лю; Ясухиро Накамура; Юджи Сибасаки; Синдзи Андо; Мицуру Уэда (2007). «Синтез и характеристика высокопреломляющих полиимидов из 4,4'-тиобис[(п-фениленсульфанил)анилина] и различных ароматических диангидридов тетракарбоновых кислот». Дж. Полим. Sci., Часть А: Полим. Хим . 45 (23): 5606. Бибкод : 2007JPoSA..45.5606L . дои : 10.1002/pola.22308 .
- ^ Нам-Хо Ю; Ясуо Судзуки; Дайсуке Ёрифудзи; Синдзи Андо; Мицуру Уэда (2008). «Синтез полиимидов с высоким показателем преломления, полученных из 1,6-бис (п-аминофенилсульфанил)-3,4,8,9-тетрагидро-2,5,7,10-тетратиантрацена и ароматических диангидридов». Макромолекулы . 41 (17): 6361. Бибкод : 2008МаМол..41.6361Y . дои : 10.1021/ma800982x .
- ^ Рассел А. Гаудиана, Ричард А. Миннс и Говард Г. Роджерс «Полимеры с высоким показателем преломления», патент США 5,132,430 (1992).
- ^ Эмма Гуси (2006). «Бромированные антипирены: их потенциальное воздействие и пути попадания в окружающую среду». Круговой мир . 32 (4): 32–35. дои : 10.1108/03056120610683603 .
- ^ Михаил Ольшавский; Гарри Р. Олкок (1997). «Полифосфазены с высокими показателями преломления: оптическая дисперсия и молярная рефракция». Макромолекулы . 30 (14): 4179. Бибкод : 1997МаМол..30.4179О . дои : 10.1021/ma961628q .
- ^ Тосики Фусими; Гарри Р. Олкок (2009). «Циклотрифосфазены с серосодержащими боковыми группами: показатель преломления и оптическая дисперсия». Далтон Транс. (14): 2477–81. дои : 10.1039/B819826H . ПМИД 19319392 .
- ^ ХК Шобха; Х. Джонсон; М. Шанкарапандян; Ю.С. Ким; П. Рангараджан; Д. Г. Бэрд; Дж. Э. МакГрат (2001). «Синтез устойчивых к плавлению ароматических полифосфонатов с высоким показателем преломления» . Дж. Полим. Sci., Часть А: Полим. Хим . 39 (17): 2904. Бибкод : 2001JPoSA..39.2904S . дои : 10.1002/pola.1270 .
- ^ США 20160289391 , Юнг, Хое-Чул; Шейвер, Майкл Патрик и Макдональд, Эмили Кейт, «Полифосфонат, а также модуль объектива и камеры, включая его», опубликовано 6 октября 2016 г.
- ^ Ян Мэннерс (2002). «Полиферроценилсиланы: металлополимеры для электронного и фотонного применения». J. Опт. Соц. Являюсь. А. 4 (6): С221–С223. Бибкод : 2002JOptA...4S.221M . дои : 10.1088/1464-4258/4/6/356 . S2CID 122033801 .
- ^ Беллас, Василиос; Рехан, Матиас (2007). «Полимерные системы на основе полиферроценилсилана». Angewandte Chemie, международное издание . 46 (27): 5082–104. дои : 10.1002/anie.200604420 . ПМИД 17587204 .
- ^ Лоренц Циммерманн; Мартин Вейбель; Уолтер Казери; Ульрих В. Сутер; Пол Вальтер (1993). «Полимерные нанокомпозиты со «сверхнизким» показателем преломления». Полим. Адв. Тех . 4 : 1–7. дои : 10.1002/пат.1993.220040101 .
- ^ Х. Альтуэс; Дж. Хенле; С. Каскель (2007). «Функциональные неорганические нанонаполнители для прозрачных полимеров». хим. Соц. Преподобный . 36 (49): 1454–65. дои : 10.1039/b608177k . ПМИД 17660878 .
- ^ Ахмад Герман Ювоно; Бинхай Лю; Цзюньмин Сюэ; Джон Ван; Хендри Исаак Элим; Вэй Цзи; Ин Ли; Тимоти Джон Уайт (2004). «Контроль кристалличности и нелинейно-оптических свойств прозрачных наногибридов TiO 2 –ПММА». Дж. Матер. Хим . 14 (20): 2978. doi : 10.1039/b403530e .
- ^ Наоаки Судзуки; Ясуо Томита; Кентаро Омори; Мотохико Хидака; Кацуми Чикама (2006). «Высокопрозрачные ZrO 2 акрилатные фотополимеры с дисперсией наночастиц для объемной голографической записи» . Опция Выражать . 14 (26): 12712–9. Бибкод : 2006OExpr..1412712S . дои : 10.1364/OE.14.012712 . ПМИД 19532163 .
- ^ Фотиос Пападимитракопулос; Питер Вишнецкий; Дораб Э. Бхагвагар (1997). «Механически истираемый кремний для нанокомпозитов с высоким показателем преломления». хим. Мэтр . 9 (12): 2928. дои : 10,1021/см970278z .
- ^ Чангли Люй; Жанчен Цуй; Цзо Ли; Бай Ян; Цзяконг Шен (2003). «Тонкие пленки нанокомпозитов ZnS/политиоуретан с высоким показателем преломления». Дж. Матер. Хим . 13 (3): 526. doi : 10.1039/B208850A .
- ^ Чи-Мин Чанг; Ченг-Лян Чанг; Чао-Чинг Чанг (2006). «Синтез и оптические свойства тонких пленок растворимого гибрида полиимида и диоксида титана». Макромол. Матер. англ . 291 (12): 1521. doi : 10.1002/mame.200600244 .
- ^ Фрэнк В. Монт; Чон Кю Ким; Мартин Ф. Шуберт; Э. Фред Шуберт; Ричард В. Сигел (2008). «Герметики с высоким показателем преломления TiO 2 -наночастицы для светодиодов» . Дж. Прил. Физ . 103 (8): 083120–083120–6. Бибкод : 2008JAP...103х3120M . дои : 10.1063/1.2903484 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Ральф Б. Верспон; Хайнц-Зигфрид Китцеров; Курт Буш (2008). Нанофотонные материалы . Германия: ISBN Wiley-VCH Inc. 978-3-527-40858-0 .