Photoresponsive hybrid thin films containing azobenzene by ALD/MLD

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2017-10-03
Department
Major/Subject
Chemistry
Mcode
CHEM3023
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
87
Series
Abstract
Photochromic molecules show a change in their absorption spectrum when they are irradiated at a suitable wavelength. The difference is caused by a change in the structure of the molecule and is usually reversible. Such molecules can be used in applications utilizing their optical properties, such as lenses and filters, as well as applications utilizing the changes in their chemical or physical properties, such as optical switches. In this thesis, different photochromic molecules and thin film techniques are compared. In hybrid materials, the efficiency of the photoisomerization reaction depends on the ability of the photochromic molecule to change from one form to another. Free volume around the molecule has a great effect on its photoisomerization. A rigid matrix with a layered structure helps immobilize the molecules and thus improves the photochromic response. As atomic and molecular layer deposition (ALD/MLD) is based on self-limiting reactions by surface saturation, it should provide uniform, conformal thin films with a suitable layered matrix and accurate control of thickness. In the experimental part, the goal was to deposit photoresponsive thin films containing azobenzene using the ALD/MLD method. The organic precursor was azobenzene-4,4’-dicarboxylic acid and the inorganic precursor was trimethylaluminium. Both hybrid and superlattice thin films were deposited on silicon and quartz. The resulting films were amorphous and nearly homogenous, with a slight gradient seen on hybrid films. The growth rate of the hybrid thin films was lower than expected, and the decreased growth rate upon increasing the number of cycles suggested the presence of double surface reactions in the process. The hybrid thin film showed minor irreversible photoresponsivity after UV irradiation. Superlattice films with very thin oxide layers showed absorption bands related to azobenzene, but with increasing oxide thickness the bands disappeared. None of the superlattice films showed any response to UV irradiation. Poor photoresponsivity was attributed to steric hindrance, likely to be partially caused by the double surface reactions. The results were compared to similar hybrid systems found in literature.

Fotokromaattisten yhdisteiden absorptiospektri muuttuu, kun niitä säteilytetään sopivalla aallonpituudella. Niiden eroavuus johtuu muutoksessa molekyylin rakenteessa, joka on usein reversiibeli. Kyseisiä yhdisteitä voidaan käyttää sovelluksissa jotka hyödyntävät niiden optisia ominaisuuksia, esimerkiksi linsseissä ja suodattimissa, sekä sovelluksissa jotka hyödyntävät niiden kemiallisia tai fysikaalisia ominaisuuksia, esimerkiksi optisissa kytkimissä. Tässä työssä vertaillaan eri fotokromaattisia yhdisteitä ja ohutkalvotekniikoita. Hybridimateriaaleissa fotoisomerisaation tehokkuus riippuu fotokromaattisen yhdisteen kyvystä muuttua muodosta toiseen. Vapaa tilavuus molekyylin ympärillä vaikuttaa suuressa määrin sen fotoisomerisaatioon. Jäykkä kerrosrakenteinen matriisi auttaa pitämään molekyylit paikallaan ja siten parantaa fotokromaattista vastetta. Atomi- ja molekyylikerroskasvatus (ALD/MLD) perustuu itserajoittuviin reaktioihin, joissa pinnat saturoituvat, joten sillä pitäisi saada kasvatettua tasalaatuisia, pinnan muotoihin mukautuvia ohutkalvoja, joissa on sopiva kerrosrakenteinen matriisi, ja joiden paksuutta voidaan kontrolloida tarkasti. Kokeellisessa osuudessa päämääränä oli kasvattaa atsobentseeniä sisältäviä valoon reagoivia ohutkalvoja käyttäen ALD/MLD-menetelmää. Orgaaninen prekursori oli atsobentseeni-4,4’-dikarboksyylihappo ja epäorgaaninen prekursori oli trimetyylialumiini. Hybridi- ja superhilaohutkalvoja kasvatettiin sekä pii- että kvartsisubstraateille. Kasvatetut kalvot olivat amorfisia ja lähes homogeenisiä. Hybridiohutkalvojen pinnalla nähtiin pieni gradientti. Hybridiohutkalvojen kasvunopeus oli odotettua matalampi, ja pienenevä kasvunopeus syklien määrän kasvaessa viittasi kaksoispintareaktioiden olevan osa kasvuprosessia. Hybridiohutkalvo reagoi UV-säteilytykseen vain hieman ja irreversiibelisti. Superhilaohutkalvoissa, joissa oksidikerrokset olivat hyvin ohuita, nähtiin atsobentseenille ominaiset absorptiovyöt, mutta paksummilla oksidikerroksilla vöitä ei enää nähty. Superhilaohutkalvot eivät reagoineet UV-säteilytykseen lainkaan. Huonon säteilyyn reagoivuuden syyksi epäiltiin steerisiä esteitä, todennäköisesti johtuen osaksi kaksoispintareaktioista. Tuloksia vertailtiin vastaaviin hybridirakenteisiin kirjallisuudessa.
Description
Supervisor
Karppinen, Maarit
Thesis advisor
Khayyami, Aida
Keywords
ALD/MLD, atomic and molecular layer deposition, azobenzene, hybrid thin film, photochromism, photoisomerization
Other note
Citation