Полимер с высоким показателем преломления - Википедия - High-refractive-index polymer

А полимер с высоким показателем преломления (HRIP) является полимер что есть показатель преломления больше 1,50.[1]

Такие материалы необходимы для антибликовое покрытие и фотонные устройства, такие как светодиоды (Светодиоды) и датчики изображения.[1][2][3] Показатель преломления полимера основан на нескольких факторах, включая поляризуемость, гибкость цепи, молекулярная геометрия и ориентация основной цепи полимера.[4][5]

По состоянию на 2004 год самый высокий показатель преломления для полимера составлял 1,76.[6] Заместители с высокой мольной долей или высоким n наночастицы в полимерную матрицу были введены для увеличения показателя преломления в полимерах.[7]

Характеристики

Показатель преломления

Типичный полимер имеет показатель преломления 1,30–1,70, но для конкретных применений часто требуется более высокий показатель преломления. Показатель преломления связан с молярная рефракция, структура и масса мономера. Как правило, высокая молярная рефракция и низкие мольные объемы увеличивают показатель преломления полимера.[1]

Оптические свойства

Оптическая дисперсия является важным свойством HRIP. Он характеризуется Число Аббе. Материал с высоким показателем преломления обычно будет иметь небольшое число Аббе или высокую оптическую дисперсию.[8] Для многих приложений требовалось низкое двойное лучепреломление наряду с высоким показателем преломления. Этого можно добиться, используя разные функциональные группы в начальном мономер сделать HRIP. Ароматный мономеры увеличивают показатель преломления и уменьшают оптическая анизотропия и, следовательно, двулучепреломление.[7]

Пример двойного лучепреломления

Также желательна высокая прозрачность (оптическая прозрачность) для полимера с высоким показателем преломления. Прозрачность зависит от показателей преломления полимера и исходного мономера.[9]

Термостойкость

При рассмотрении термической стабильности типичные измеряемые параметры включают стеклование, исходный Температура разложения, температура разложения и таяние диапазон температур.[2] Термическую стабильность можно измерить термогравиметрический анализ и дифференциальная сканирующая калориметрия. Полиэфиры считаются термически стабильными с температурой разложения 410 ° C. Температура разложения изменяется в зависимости от заместителя, который присоединен к мономеру, используемому в полимеризация полимера с высоким показателем преломления. Таким образом, дольше алкил заместители приводят к более низкой термической стабильности.[7]

Растворимость

В большинстве случаев предпочтение отдается полимерам, которые растворимы во многих растворители насколько возможно. С высокой преломляющей способностью полиэфиры и полиимиды растворимы в обычных органических растворителях, таких как дихлорметан, метанол, гексаны, ацетон и толуол.[2][7]

Синтез

Путь синтеза зависит от типа HRIP. Полисоединение Михаэля используется для полиимида, потому что оно может осуществляться при комнатной температуре и может использоваться для ступенчатая полимеризация. Впервые в этом синтезе были использованы полиимидоэфиры, в результате чего были получены оптически прозрачные полимеры с высоким показателем преломления.[2] Реакции поликонденсации также обычны для получения полимеров с высоким показателем преломления, таких как полиэфиры и полифосфонаты.[7][10]

Пример полиприсоединения Михаэля
Пример поликонденсации

Типы

Высокие показатели преломления были достигнуты либо за счет введения заместителей с высоким молярным преломлением (собственные HRIP), либо за счет комбинирования наночастиц с высоким n с полимерными матрицами (нанокомпозиты HRIP).

Внутренний HRIP

Серосодержащий полиимид с высоким показателем преломления.

Сера -содержащие заместители, в том числе линейные 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.

Галогенсодержащий полиметакрилат

Галоген элементы, особенно бром и йод, были самыми ранними компонентами, использованными для разработки HRIP. В 1992 году Гаудиана и другие. сообщил о серии полиметилакрилат соединения, содержащие боковые бромированные и йодированные карбазол кольца. Они имели показатели преломления 1,67–1,77 в зависимости от компонентов и количества галогеновых заместителей.[14] Однако недавнее применение галогенных элементов в микроэлектроника были серьезно ограничены WEEE директива и RoHS законодательство, принятое Евросоюз снизить потенциальное загрязнение окружающей среды.[15]

[10] Полифосфонат

Фосфор -содержащие группы, такие как фосфонаты и фосфазены, часто обладают высокой молярной рефракцией и оптическими коэффициент пропускания в области видимого света.[3][16][17] Полифосфонаты обладают высокими показателями преломления за счет фосфор часть, даже если они имеют химическую структуру, аналогичную поликарбонаты.[18] бритва и другие. сообщили о серии полифосфонатов с различными скелетами, достигнув наивысшего показателя преломления, зарегистрированного для полифосфонатов, равного 1,66.[10] Кроме того, полифосфонаты обладают хорошей термической стабильностью и оптической прозрачностью; они также подходят для Кастинг в пластиковые линзы.[19]

Металлоорганический HRIP

Металлорганический компоненты приводят к HRIP с хорошими фильм формирующая способность и относительно низкая оптическая дисперсия. Полиферроценилсиланы[20] и полиферроцены содержащий фосфор распорки и фенил боковые цепи показывают необычно высокие значения n (n = 1,74 и n = 1,72).[21] Они могут быть хорошими кандидатами для полностью полимерных фотонных устройств из-за их промежуточной оптической дисперсии между органическими полимерами и неорганический очки.

Нанокомпозит HRIP

Гибридные методы, сочетающие органическую полимерную матрицу с высокопреломляющими неорганическими наночастицами, могут дать высокие значения n. Факторы, влияющие на показатель преломления нанокомпозита с высоким n, включают характеристики полимерной матрицы, наночастиц и гибридную технологию между неорганическими и органическими компонентами. Показатель преломления нанокомпозита можно оценить как , куда , и обозначают показатели преломления нанокомпозита, наночастицы и органической матрицы соответственно. и представляют собой 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 увеличения оптической прозрачности и уменьшения Рэлеевское рассеяние нанокомпозита диаметр наночастицы должен быть менее 25 нм.[23] Прямое смешивание наночастиц с полимерной матрицей часто приводит к нежелательной агрегации наночастиц - этого можно избежать, изменив их поверхность. Наиболее часто используемые наночастицы для HRIP включают TiO2 (анатаз, n = 2,45; рутил, n = 2,70),[24] ZrO2 (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 имеют регулируемый показатель преломления от 1,57 до 1,99.[28]

Полиимидный нанокомпозит с высоким содержанием n

Приложения

Датчик изображения CMOS

Датчики изображения

А микролинза Матрица - ключевой компонент оптоэлектроники, оптических коммуникаций, CMOS датчики изображения и отображает. Микролинзы на полимерной основе легче изготавливать и более гибкие, чем обычные линзы на стеклянной основе. В результате устройства потребляют меньше энергии, меньше по размеру и дешевле в производстве.[1]

Литография

Еще одно 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 больше 1,90. Было показано, что неароматические серосодержащие HRIP являются лучшими материалами для оптической системы фоторезиста.[1]

Светодиоды

Светодиоды рассеянного типа 5мм

Светоизлучающие диоды (светодиоды) - распространенный твердотельный источник света. Светодиоды высокой яркости (HBLED) часто ограничены относительно низкой эффективностью вывода света из-за несоответствия показателей преломления между материалом светодиода (GaN, n = 2,5) и органический герметик (эпоксидная смола или силикон, n = 1,5). Более высокая светоотдача может быть достигнута при использовании HRIP в качестве герметика.[29]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е Цзинь-ган Лю; Мицуру Уэда (2009). «Полимер с высоким показателем преломления: фундаментальные и практические приложения». J. Mater. Chem. 19 (47): 8907. Дои:10.1039 / B909690F.
  2. ^ а б c d Хун-Джу Йен; Гуй-Шэн Лиу (2010). «Простой подход к оптически изотропным, бесцветным и термопластичным полиимидотиоэфирам с высоким показателем преломления». J. Mater. Chem. 20 (20): 4080. Дои:10.1039 / c000087f. S2CID  55614500.
  3. ^ а б Макдональд, Эмили К .; Шейвер, Майкл П. (01.01.2015). «Собственные полимеры с 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.
  4. ^ Ченг Ли; Чжо Ли; Цзинь-ган Лю; Сяо-цзюань Чжао; Хай-ся Ян; Ши-Ён Ян (2010). «Синтез и характеристика органорастворимых полифенилхиноксалинов с тиоэфирными мостиковыми связями со сверхвысокими показателями преломления и низким двулучепреломлением». Полимер. 51 (17): 3851. Дои:10.1016 / j.polymer.2010.06.035.
  5. ^ Квансу Хан; У-Хёк Чан; Тэ Хён Ри (2000). «Синтез фторированных полиимидов и их применение в пассивных оптических волноводах». J. Appl. Polym. Наука. 77 (10): 2172. Дои:10.1002 / 1097-4628 (20000906) 77:10 <2172 :: AID-APP10> 3.0.CO; 2-9.
  6. ^ Наоки Садаёри и Юджи Хотта «Поликарбодиимид, имеющий высокий показатель преломления, и способ его получения» Патент США 2004/0158021 A1 (2004)
  7. ^ а б c d е Рёта Сето; Такахиро Кодзима; Кацумото Хосокава; Ясухито Кояма; Ген-ичи Кониси; Тошиказу Таката (2010). «Синтез и свойства 9,9-спиробифлуоренсодержащих ароматических полиэфиров как оптических полимеров с высоким показателем преломления и низким двулучепреломлением». Полимер. 51 (21): 4744. Дои:10.1016 / j.polymer.2010.08.032.
  8. ^ Тацухито Мацуда; Ясуаки Фунае; Масахиро Йошида; Тэцуя Ямамото; Цугуо Такая (2000). «Оптический материал из смолы с высоким показателем преломления, состоящей из серосодержащих ароматических метакрилатов». J. Appl. Polym. Наука. 76: 50. Дои:10.1002 / (SICI) 1097-4628 (20000404) 76: 1 <50 :: AID-APP7> 3.0.CO; 2-X.
  9. ^ П. Нолан; М. Тиллин; Д. Коутс (1993). «Жидкокристаллические пленки с полимерным диспергированием высокой прозрачности в открытом состоянии». Жидкие кристаллы. 14 (2): 339. Дои:10.1080/02678299308027648.
  10. ^ а б c Макдональд, Эмили К .; Лейси, Джозеф С .; Огура, Ичиро; Шейвер, Майкл П. (2017-02-01). «Ароматические полифосфонаты как полимеры с высоким показателем преломления». Европейский Полимерный Журнал. 87: 14–23. Дои:10.1016 / j.eurpolymj.2016.12.003.
  11. ^ Цзинь-ган Лю; Ясухиро Накамура; Юдзи 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. Bibcode:2007MaMol..40.4614L. Дои:10.1021 / ma070706e.
  12. ^ Цзинь-Ган Лю; Ясухиро Накамура; Юдзи Сибасаки; Синдзи Андо; Мицуру Уэда (2007). «Синтез и характеристика высокопреломляющих полиимидов из 4,4'-тиобис [(п-фениленсульфанил) анилина] и различных ароматических диангидридов тетракарбоновых кислот». J. Polym. Sci., Часть A: Polym. Chem. 45 (23): 5606. Bibcode:2007JPoSA..45.5606L. Дои:10.1002 / pola.22308.
  13. ^ Нам-Хо Ю; Ясуо Сузуки; 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-тетратиаантрацена и ароматических диангидридов». Макромолекулы. 41 (17): 6361. Bibcode:2008MaMol..41.6361Y. Дои:10.1021 / ma800982x.
  14. ^ Рассел А. Гаудиана, Ричард А. Миннс и Ховард Г. Роджерс «Полимеры с высоким показателем преломления» Патент США 5,132,430 (1992)
  15. ^ Эмма Гуси (2006). «Бромированные антипирены: их потенциальное воздействие и пути в окружающую среду». Circuit World. 32 (4): 32–35. Дои:10.1108/03056120610683603.
  16. ^ Михаил Ольшавский; Гарри Р. Оллкок (1997). «Полифосфазены с высокими показателями преломления: оптическая дисперсия и молярная рефракция». Макромолекулы. 30 (14): 4179. Bibcode:1997MaMol..30.4179O. Дои:10.1021 / ma961628q.
  17. ^ Тошики Фусими; Гарри Р. Оллкок (2009). «Циклотрифосфазены с серосодержащими боковыми группами: показатель преломления и оптическая дисперсия». Dalton Trans. (14): 2477–81. Дои:10.1039 / B819826H. PMID  19319392.
  18. ^ Х. К. Шобха; Х. Джонсон; М. Шанкарапандиан; Ю. С. Ким; П. Рангараджан; Д. Г. Бэрд; Дж. Э. МакГрат (2001). «Синтез устойчивых к расплаву ароматических полифосфонатов с высоким показателем преломления». J. Polym. Sci., Часть A: Polym. Chem. 39 (17): 2904. Bibcode:2001JPoSA..39.2904S. Дои:10.1002 / pola.1270.
  19. ^ [1], Юнг, Хо-Чул; Майкл Патрик Шейвер и Эмили Кейт Макдональд, «Полифосфонат, объектив и модуль камеры, включая то же самое» 
  20. ^ Ян Маннерс (2002). «Полиферроценилсиланы: металлополимеры для электронных и фотонных приложений». J. Opt. Soc. Являюсь. А. 4 (6): S221 – S223. Bibcode:2002JOptA ... 4S.221M. Дои:10.1088/1464-4258/4/6/356.
  21. ^ Беллас, Василиос; Рехан, Маттиас (2007). «Полимерные системы на основе полиферроценилсилана». Angewandte Chemie International Edition. 46 (27): 5082–104. Дои:10.1002 / anie.200604420. PMID  17587204.
  22. ^ Лоренц Циммерманн; Мартин Вайбель; Уолтер Казери; Ульрих В. Сутер; Пол Вальтер (1993). «Полимерные нанокомпозиты с« сверхнизким »показателем преломления». Polym. Adv. Технология. 4: 1–7. Дои:10.1002 / pat.1993.220040101.
  23. ^ Х. Альтуэс; J. Henle; С. Каскель (2007). «Функциональные неорганические нанонаполнители для прозрачных полимеров». Chem. Soc. Rev. 36 (49): 1454–65. Дои:10.1039 / b608177k. PMID  17660878.
  24. ^ Ахмад Херман Ювоно; Бинхай Лю; Цзюньминь Сюэ; Джон Ван; Хендри Изаак Элим; Вэй Цзи; Инь Ли; Тимоти Джон Уайт (2004). «Управление кристалличностью и нелинейно-оптическими свойствами прозрачного TiO2.2–Наногибриды ПММА ». J. Mater. Chem. 14 (20): 2978. Дои:10.1039 / b403530e.
  25. ^ Наоаки Сузуки; Ясуо Томита; Кентарох Омори; Мотохико Хидака; Кацуми Чикама (2006). "Сверхпрозрачный ZrO2 акрилатные фотополимеры с дисперсными наночастицами для объемной голографической записи ». Опт. выражать. 14 (26): 12712–9. Bibcode:2006OExpr..1412712S. Дои:10.1364 / OE.14.012712. PMID  19532163.
  26. ^ Фотиос Пападимитракопулос; Питер Вишнеки; Дораб Э. Бхагвагар (1997). «Механически аттрированный кремний для нанокомпозитов с высоким показателем преломления». Chem. Матер. 9 (12): 2928. Дои:10,1021 / см 970278z.
  27. ^ Чангли Лю; Жанчен Цуй; Цзо Ли; Бай Янг; Цзякун Шен (2003). «Тонкие пленки с высоким показателем преломления из нанокомпозитов ZnS / политиоуретан». J. Mater. Chem. 13 (3): 526. Дои:10.1039 / B208850A.
  28. ^ Чжи-Мин Чанг; Чэн-Лян Чанг; Чао-Чинг Чанг (2006). «Синтез и оптические свойства растворимых гибридных тонких пленок полиимида / диоксида титана». Макромол. Mater. Англ.. 291 (12): 1521. Дои:10.1002 / мама.200600244.
  29. ^ Франк В. Монт; Чон Гю Ким; Мартин Ф. Шуберт; Э. Фред Шуберт; Ричард В. Сигел (2008). «TiO с высоким показателем преломления2-наполненные наночастицами герметики для светодиодов ». J. Appl. Phys. 103 (8): 083120–083120–6. Bibcode:2008JAP ... 103х3120М. Дои:10.1063/1.2903484.

дальнейшее чтение

  • Ральф Б. Верспон; Хайнц-Зигфрид Китцеров; Курт Буш (2008). Нанофотонные материалы. Германия: Wiley-VCH Inc. ISBN  978-3-527-40858-0.