Tailoring molecular weight of the conjugated model polymer MEH-PPV and its structure-property relations

In der vorliegenden Arbeit wurden Struktur-Eigenschaftsbeziehungen des konjugierten Modell-Polymers MEH-PPV untersucht. Dazu wurde Fällungs-fraktionierung eingesetzt, um MEH-PPV mit unterschiedlichem Molekulargewicht (Mw) zu erhalten, insbesondere MEH-PPV mit niedrigem Mw, da dieses für optische Wellenleiterbauelemente optimal geeignet ist Wir konnten feststellen, dass die Präparation einer ausreichenden Menge von MEH-PPV mit niedrigem Mw und geringer Mw-Verteilung wesentlich von der geeigneten Wahl des Lösungsmittels und der Temperatur während der Zugabe des Fällungsmittels abhängt. Alternativ dazu wurden UV-induzierte Kettenspaltungseffekte untersucht. Wir folgern aus dem Vergleich beider Vorgehensweisen, dass die Fällungsfraktionierung verglichen mit der UV-Behandlung besser geeignet ist zur Herstellung von MEH-PPV mit spezifischem Mw, da das UV-Licht Kettendefekte längs des Polymerrückgrats erzeugt. 1H NMR and FTIR Spektroskopie wurden zur Untersuchung dieser Kettendefekte herangezogen. Wir konnten außerdem beobachten, dass die Wellenlängen der Absorptionsmaxima der MEH-PPV Fraktionen mit der Kettenlänge zunehmen bis die Zahl der Wiederholeinheiten n  110 erreicht ist. Dieser Wert ist signifikant größer als früher berichtet. rnOptische Eigenschaften von MEH-PPV Wellenleitern wurden untersucht und es konnte gezeigt werden, dass sich die optischen Konstanten ausgezeichnet reproduzieren lassen. Wir haben die Einflüsse der Lösungsmittel und Temperatur beim Spincoaten auf Schichtdicke, Oberflächenrauigkeit, Brechungsindex, Doppelbrechung und Wellenleiter-Dämpfungsverlust untersucht. Wir fanden, dass mit der Erhöhung der Siedetemperatur der Lösungsmittel die Schichtdicke und die Rauigkeit kleiner werden, während Brechungsindex, Doppelbrechung sowie Wellenleiter-Dämpfungsverluste zunahmen. Wir schließen daraus, dass hohe Siedetemperaturen der Lösungsmittel niedrige Verdampfungsraten erzeugen, was die Aggregatbildung während des Spincoatings begünstigt. Hingegen bewirkt eine erhöhte Temperatur während der Schichtpräparation eine Erhöhung von Schichtdicke und Rauhigkeit. Jedoch nehmen Brechungsindex und der Doppelbrechung dabei ab.rn Für die Schichtpräparation auf Glassubstraten und Quarzglas-Fasern kam das Dip-Coating Verfahren zum Einsatz. Die Schichtdicke der Filme hängt ab von Konzentration der Lösung, Transfergeschwindigkeit und Immersionszeit. Mit Tauchbeschichtung haben wir Schichten von MEH-PPV auf Flaschen-Mikroresonatoren aufgebracht zur Untersuchung von rein-optischen Schaltprozessen. Dieses Verfahren erweist sich insbesondere für MEH-PPV mit niedrigem Mw als vielversprechend für die rein-optische Signalverarbeitung mit großer Bandbreite.rn Zusätzlich wurde auch die Morphologie dünner Schichten aus anderen PPV-Derivaten mit Hilfe von FTIR Spektroskopie untersucht. Wir konnten herausfinden, dass der Alkyl-Substitutionsgrad einen starken Einfluss auf die mittlere Orientierung der Polymerrückgrate in dünnen Filmen hat.rn

We have investigated the conjugated model polymer MEH-PPV to gain deeper insights to structure-property relations. We have carried out precipitation fractionation to get MEH-PPV with different molecular weight (Mw), in particular MEH-PPV with low Mw as this is optimally suited for optical waveguide devices. We found that the choice of of solvents and temperature when the precipitant is added is crucial to obtain MEH-PPV with low Mw with sufficient amount and narrow molecular weight distribution. Alternatively, we studied UV-induced chain scission effects. We conclude that precipitation fractionation is more suitable to get MEH-PPV with specific Mw as compared to chain scission by UV-irradiation, because UV-light causes chain defects along the polymer backbone which we characterized by means of 1H NMR and FTIR spectroscopy. We observe that the wavelengths of absorption maxima of MEH-PPV fractions are still increasing with chain length until the number of repetition units approaches n  110, which is significantly larger as reported earlier.rnWe have measured optical properties of MEH-PPV waveguides and demonstrated excellent reproducibility of their optical constants. We have studied the influences of casting solvents and spin casting temperature of thin films on film thickness, surface roughness, refractive index, birefringence and waveguide propagation loss. We found that as boiling point of solvents increases, thickness and roughness are decreasing but the refractive index, birefringence and waveguide attenuation loss are increasing. We conclude that high boiling points of solvents cause slow evaporation rate, which facilitates the formation of aggregates during the spin coating process. On the other hand, increasing casting temperature causes increasing thickness and roughness, but refractive index and birefringence are decreasing.rnWe have investigated the film preparation by means of dip coating on planar glass slides and thin fibers of fused silica. The thickness of dip-coated films depends on concentration of solution, withdrawal velocity and immersion time. We have prepared dip-coated films of MEH-PPV on bottle microresonators for studies of all-optical switching. Coating the bottle microresonators with MEH-PPV with low Mw is a promising route towards high-bandwidth all-optical signal processing. rnWe have also studied the morphology of thin films of other PPV-derivatives related to MEH-PPV by using FTIR spectroscopy. We found that the degree of alkyl substitution has strong impact on the average orientation of the polymer backbones in thin films. rn