Titelaufnahme

Titel
Novel multipolar initiators for two-photon induced photopolymerization / Maximilian Tromayer
VerfasserTromayer, Maximilian
Begutachter / BegutachterinLiska, Robert ; Li, Zhiquan
Erschienen2014
Umfang140 S. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Dipl.-Arb., 2014
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
DokumenttypDiplomarbeit
Schlagwörter (DE)Initiatoren / radikalische Polymerisation / AMT
Schlagwörter (EN)Initiators / radical Polymerization
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-62241 Persistent Identifier (URN)
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Novel multipolar initiators for two-photon induced photopolymerization [6 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Zwei-Photonen-Absorption (TPA) ermöglicht die Aktivierung photophysikalischer und -chemischer Prozesse bei hoher räumlicher Auflösung (100 nm) bis unterhalb der mit der Wellenlänge des absorbierten Lichtes assoziierten Diffraktionsgrenze. TPA kommt in wichtigen Technologien zum Einsatz z.B. der Zwei-Photonen-angeregten Mikroskopie und erfreut sich wachsender Beliebtheit in der Submikrometer-Stereolithographie. Diese dient zur Mikrofabrikation photonischer Kristalle, polymerbasierter optischer Wellenleiter in integrierten Schaltkreisen und anderer Teile für Industrien die hohe Präzision erfordern, sowie für Rapid Prototyping und optische Datenspeicherung. Weiters bietet die hohe Transparenz biologischer Gewebe gegenüber dem eingesetzten fs-gepulsten Titan:Saphir NIR Laser Vorteile wie hohe Eindringtiefe und geringe Lichtschäden, was TPA besonders für Anwendungen wie Bio-Imaging und in-vivo Biofabrikation von hydrogelbasierten Materialen geeignet macht. In der auf Zwei-Photonen-induzierter Photopolymerisation (TPIP) basierten Stereo-lithographie wurden oft klassische Ein-Photonen-Initiatoren (OPIs) angewandt, diese leiden jedoch unter signifikanten Einschränkungen bezüglich der erzielbaren Mikrostruktur-Qualität und der benötigten Fabrikationsparameter (hohe Laserleistungen, sehr langsames Schreiben), weshalb großes Interesse an der Entwicklung spezialisierter Zwei-Photonen-Initiatoren (TPIs) besteht. In der vorliegenden Arbeit wurden mehrere neue TPIs auf Basis von M2CMK (hocheffizienter TPI aus früherer Arbeit der Forschungsgruppe) als Leitstruktur und Referenz hergestellt und charakterisiert (UV-Vis-Spektren, Zwei-Photonen-Absorptions-querschnitt -TPA, TPIP Prozessfensterscreenings & Strukturierungstests). Der erste Ansatz zur Effizienzsteigerung, Verbesserung der Energieabsorption durch Erhöhung der -TPA mittels Einführung verzweigter und/oder planarisierter Strukturelemente, brachte einige Initiatoren mit der Referenz überlegenen Eigenschaften hervor. Y-B2CMK weist insgesamt ein breites Prozessfenster auf und vermeidet bei hohen Leistungsdichten exzessive Schäden an polymerisierten Objekten. Bei hohen Laserleistungen bis 110 mW schneidet B2Trz von allen getesteten TPIs am besten ab. B2Cbz führt zu exzellenten Ergebnissen im mittleren Leistungsbereich bei Schreibgeschwindigkeiten bis 151 mm/s. Der zweite Ansatz, Einführung von unter Radikalbildung spaltender Gruppen zur Vermeidung der Desaktivierung aufgrund von Back-Electron-Transfer (BET), konnte die Initiierungseffizienz bislang nicht steigern, da die -TPA von S2CMK, SNB und PADE zu gering sind. Nichtsdestotrotz konnten erfolgreiche Spaltung unter TPA-Bedingungen nachgewiesen und wertvolle Erkenntnisse für die Entwicklung spaltbarer TPIs gewonnen werden.

Zusammenfassung (Englisch)

Two-photon absorption (TPA) enables the activation of photophysical and -chemical processes at high spatial resolution (100 nm) reaching below the diffraction limit associated with the wavelength of the absorbed light. Amongst other important technologies it is employed in, e.g. two-photon excitation microscopy (TPEM), its use is becoming increasingly popular in sub-micrometer stereolithography for microfabrication of photonic crystals, polymer-based optical waveguides on integrated circuit boards, rapid prototyping, high-density 3D optical data storage and parts for other industries requiring high precision. Furthermore the high transparency of biological tissues towards the fs-pulsed Titanium:Sapphire near infrared lasers offers the advantages of high penetration depth and little photo-damage, making TPA especially suitable for applications like bio-imaging and in-vivo bio-fabrication using hydrogel-based materials. Stereolithography based on two-photon induced photopolymerization (TPIP) has employed classical one-photon initiators (OPIs) as used in radical photopolymerization. However since OPIs suffer from significant limitations regarding the quality of the attainable microstructures and especially the required fabrication parameters (high laser powers, very slow writing), the development of specialized two-photon initiators (TPIs) is of major interest. In the present work several novel TPIs based on the lead structure of M2CMK, a highly efficient TPI developed by the research group in previous work, were synthesized and characterized (UV-Vis spectra, two-photon absorption cross section -TPA, TPIP processing window screening & structuring tests). The first approach to improve efficiency, enhancing energy absorption via increasing the -TPA by introducing branched and/or planarized structural elements, yielded several initiators with features superior to the reference. Y-B2CMK exhibits a broad overall structuring window and especially avoids excessive damage to polymerized objects at high power densities. For high laser powers up to 110 mW, B2Trz shows the best performance of all tested TPIs. B2Cbz produces excellent results in the low to medium power range at writing speeds up to 151 mm/s. The second approach of introducing cleavable groups producing radicals while avoiding deactivation by back electron transfer (BET) was not able to enhance initiation efficiency so far because S2CMK, SNB and PADE all suffered from low -TPA. Nevertheless, successful cleavage under TPA conditions could be proved and valuable insights for future implementation of cleavable TPIs were gained.