Light-Induced Motions in Azopolymer Films Doped with Silver Nanoparticles

Abstract

In this thesis, the light-induced phenomena in azobenzene-containing polymer films are studied. Light-induced phenomena, such as formation of surface-relief gratings and light-induced birefringence, are typical for azobenzene-containing materials and enable a wide range of applications ranging from optical components to telecommunication technology, and beyond. The objective is to enhance these phenomena via local field enhancement of the incident field by adding silver nanoparticles into the azopolymer films. Mie efficiencies for spherical nanoparticles in the used azobenzene-polymer medium are calculated for different sizes. Also the experimental setups for inscription of surface-relief gratings and photo-induced birefingence are presented, along with a setup for measuring the lifetime of cis isomer of an azobenzene molecule. The experiments are performed for azobenzene-containing films doped with 8, 30 and 50 nanometer silver nanoparticles, with silver/azopolymer mass ratios ranging from 0 to 2%. With 8 nanometer particles, also mass ratios up to 10% are studied. In general, the results indicate a significant decrease in the surface-relief grating formation and photo-induced birefringence with increased nanoparticle concentration. However, a modest increase in the studied phenomena on certain amounts of silver nanoparticles is achieved. It can also be concluded that also other factors than the local field enhancement affect the light-induced processes, such as light scattering or damping mechanisms of nanoparticles with a diameter of several tens of nanometers. In the future studies it is recommended to use particles smaller than 30 nanometers in diameter. For the surface plasmon resonance and the absorption of azopolymer to overlap, also a change of the nanoparticle material is recommended.

Tässä työssä tutkitaan valoherätteisiä ilmiöitä atsobentseenejä sisältävissä ohutkalvoissa. Valoherätteiset ilmiöt, kuten valoherätteinen pintahilamuodostus ja valoherätteinen kahtaistaittavuus, ovat tyypillisiä atsobentseenejä sisältäville materiaaleille ja ne tarjoavat uusia mahdollisuuksia esimerkiksi optisten komponenttien ja telekommunikaatioteknologian kehityksessä. Työn tavoite on vahvistaa näitä ilmiöitä paikallisen lähikenttävahvistuksen avulla lisäämällä hopeananohiukkasia atsobentseenejä sisältäviin polymeerikalvoihin. Mie-tehokkuudet lasketaan erikokoisille hopeananohiukkasille käytetyssä väliaineessa. Myös käytännön koejärjestelyt valoherätteisen pintahilan ja valoherätteisen kahtaistaittavuuden kirjoittamista varten, sekä koejärjestely atsobentseenin cis-isomeerin elinajan mittaamiseksi esitellään. Kokeet suoritetaan atsobentseenejä sisältävillä kalvoilla, joihin on lisätty halkaisijaltaan 8, 30 ja 50 nanometrin hopeahiukkasia. Hopean ja polymeeriväliaineen massojen suhde vaihtelee välillä 0-2 %. 8 nanometrin hiukkasia tutkittiin 10 %:iin asti. Yleisesti tulokset osoittavat pintahilamuodostuksen ja valoherätteisen kahtaistaittavuuden merkittävää heikentymistä nanohiukkaspitoisuuden kasvaessa. Kuitenkin tietyillä hopeananohiukkaspitoisuuksilla tutkitut ilmiöt voimistuvat hieman. Tuloksista voidaan myös päätellä, että tutkituilla näytteillä paikalliskentän vahvistuminen ei ole ainoa valoherätteisiin ilmiöihin vaikuttava tekijä, vaan imiöihin vaikuttavat esimerkiksi valon sironta ja plasmoniresonanssin vaimennusmekanismit etenkin suuremmilla nanohiukkasilla. Jatkotutkimuksia ajatellen on suositeltavaa käyttää nanohiukkasia, joiden halkaisija on pienempi kuin 30 nanometriä. Jotta nanohiukkasten plasmoniresonanssi ja atsobentseenin absorbanssi osuisivat samoille aallonpituuksille, myös nanohiukkasten materiaalin vaihto on suositeltavaa.