Holographische Datenspeicherung in nanostrukturierten azobenzolhaltigen Polymeren

Titelangaben

Häckel, Michael:
Holographische Datenspeicherung in nanostrukturierten azobenzolhaltigen Polymeren.
Bayreuth , 2006
( Dissertation, 2006 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)

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Abstract

In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Diblock-Copolymere mit azobenzolhaltigen Seitenketten auf ihr Potential für Anwendungen als wiederbeschreibbares Medium für die holographische Datenspeicherung untersucht. Die Seitenketten dieser Polymere können durch Bestrahlung mit Licht angeregt und umorientiert werden. Infolge der Anisotropie der Seitenketten führt die Umorientierung in den beleuchteten Bereichen des Materials zu Doppelbrechung und damit zu einer räumlichen Brechungsindexmodulation für polarisiertes Licht. Bei Blockcopolymeren tritt Mikrophasenseparation auf. Diese ermöglicht im räumlichen Mittel eine Verdünnung der Azobenzolfarbstoffe bei gleichbleibend hoher lokaler Konzentration in den eingeschlossenen Minoritätsphasen. Die makroskopische Verdünnung ist zur Reduzierung des Absorptionskoeffizienten notwendig, damit das zum Schreiben verwendete Licht Proben mit einer Dicke im Bereich von 1 mm durchdringen kann. Eine hohe lokale Konzentration ist andererseits für die Stabilisierung der eingeschriebenen Information notwendig. Es ist bekannt, dass in azobenzolhaltigen Homopolymeren und statistischen Copolymeren eine stabile Orientierung bei gleichzeitiger schneller lichtinduzierter Umlagerung durch flüssigkristalline Phasen erreicht werden kann. Um festzustellen, ob die kooperative Umorientierung der Seitenketten und ihre gegenseitige Stabilisierung auch in den Minoritätsphasen von Blockcopolymeren auftreten, wurden solche Blockcopolymere untersucht, die in den Seitenketten des photoadressierbaren Blocks methoxysubstituierte Azobenzolgruppen und nichtabsorbierende Dreikernmesogene in unterschiedlichem Verhältnis enthielten. Mit zunehmendem Anteil der mesogenen Seitenketten stieg trotz des gleichzeitig abnehmenden Anteils der Farbstoffgruppen die erreichbare Brechungsindexmodulation eingeschriebener holographischer Gitter an. Damit konnte gezeigt werden, dass sich auch in Blockcopolymeren die mesogenen Seitenketten gemeinsam mit den Farbstoffgruppen umorientieren lassen. Mit steigendem Mesogenanteil stieg die Stabilität der eingeschriebenen Gitter ebenfalls an. Ab einem Anteil von 35 mol-% mesogenen Seitenketten im photoadressierbaren Block war diese so hoch, dass innerhalb eines Zeitraumes von zwei Jahren keine Relaxation der eingeschriebenen Orientierung beobachtet wurde. Nachdem an Gittern, deren Dicke wesentlich größer als die Gitterperiode ist, nur dann Beugung auftritt, wenn die Bragg-Bedingung erfüllt ist, können mehrere Hologramme an der selben Stelle des Mediums eingeschrieben und unabhängig voneinander wieder gelesen werden. Dadurch erhält man zu den üblichen zwei Dimensionen eines flächigen optischen Datenspeichers den Winkel als dritten Freiheitsgrad. An 1,1 mm dicken Spritzgussproben von Mischungen aus einem Blockcopolymer und Polystyrol wurden Experimente zum Winkelmultiplexing einfacher holographischer Gitter durchgeführt. Es gelang, sowohl überlagerte Intensitätsgitter als auch überlagerte Polarisationsgitter einzuschreiben. In azobenzolhaltigen Polymeren wächst die Brechungsindexmodulation holographischer Gitter extrem nichtlinear mit der Belichtungszeit an. Dennoch konnten in der Praxis Intensitätsgitter mit gleicher Belichtungszeit eingeschrieben werden, die am Ende der Einschreibvorgänge nahezu identische Beugungseffizienzen aufwiesen. Bis zu 200 holographische Intensitätsgitter konnten an der selben Stelle des Materials erzeugt werden. In Mischungen von Polystyrol mit Blockcopolymeren, die nichtabsorbierende mesogene Seitenketten oder mesogene Farbstoffgruppen enthielten, wurde sowohl bei einzelnen Hologrammen als auch im Fall mehrerer überlagerter Gitter eine sehr gute Stabilität beobachtet. Als nächsten Schritt hin zur Speicherung realer Daten wurden ausgedehnte Hologramme von zweidimensionalen Testbildern gespeichert. Mehrere dieser Hologramme konnten ebenfalls erfolgreich an der selben Stelle unter unterschiedlichen Winkeln geschrieben und rekonstruiert werden. Die Umorientierung von Azobenzolseitenketten ist reversibel. Die Materialien sind daher wiederbeschreibbar. Es konnte ein geeignetes Verfahren entwickelt werden, das es ermöglicht, Hologramme auf rein optischem Wege nahezu vollständig zu löschen und das Medium mehrere tausend Male wiederzubeschreiben. Zum Löschen wurde jeweils ein zweites holographisches Gitter verwendet, das zu dem ursprünglich eingeschriebenen um 180° phasenverschoben war. Dadurch wurde die Information bereits nahezu vollständig gelöscht. Anschließend wurde mit einem einzelnen Laserstrahl, dessen Polarisation um 90° gedreht war, nachbelichtet, um die Farbstoffgruppen wieder in die Polarisationsrichtung der Schreibstrahlen zu orientieren. Durch diese beiden Schritte konnte die Beugungseffizienz der Hologramme um mehr als zwei Größenordnungen abgeschwächt werden und es wurde nach mehr als 1000 Schreib-Lösch-Zyklen wurde weder eine Abnahme der Beugungseffizienz eingeschriebener Gitter noch eine Verschlechterung des Löschverhaltens beobachtet.

Abstract in weiterer Sprache

In this thesis different diblock copolymers with azobenzene-containing side chains were investigated with respect to potential applications as rewritable media for holographic data storage. Azobenzene chromophores undergo light-induced cis-trans isomerisation and reorientation until their transition dipole moment is oriented perpendicular to the polarisation direction of the exciting light. This reorientation causes birefringence and, therefore, gives rise to a spatial modulation of the refractive index for linearly polarised light after illumination with a light intensity grating. In order to obtain samples with a thickness in the range of 1 mm and a sufficiently low optical density, it is necessary to dilute the chromophores. Block copolymers perform micro-phase separation. This allows for diluting the azobenzene chromophores in a macroscopic scale while keeping a high local concentration in the confined micro phases. The high local concentration is important for the stability of the inscribed information. In azobenzene-containing homopolymers and statistical copolymers, the use of liquid-crystalline side chains favours a common reorientation and a self-stabilisation of the order. In order to find out if these effects also appear in the minority phase of block copolymers, a set of polymer samples containing different ratios of methoxy-terminated azobenzene chromophores and non-absorbing three-ring mesogenic moieties in their side chains were investigated. It was found that the achievable refractive-index modulation of inscribed holographic gratings increases with the mesogen content. Since the chromophore content was decreasing with increasing mesogen content, this proves, that the mesogenic side chains are indeed reoriented together with the chromophores and the cooperative effect between the side chains occurs also in block copolymers. With increasing mesogen content also the stability of the inscribed gratings was increasing. Gratings which were inscribed in polymers whose photoaddressable block contained at least 35 mol-% mesogenic side chains showed no measurable decay during a period of two years. If the thickness of a grating is much larger than its period, diffraction occurs only if the Bragg condition is met. The Bragg condition provides an additional degree of freedom as compared to conventional two-dimensional storage and permits the inscription of several holograms at the same location of the sample under different angles. Angular multiplexed holographic gratings were inscribed in 1.1-mm-thick injection-moulded samples of blends between a block copolymer and polystyrene. It was possible to inscribe multiplexed intensity gratings as well as multiplexed polarisation gratings. Azobenzene-containing polymers exhibit an extremely non-linear growth of the refractive-index modulation as a function of the exposure time. Nevertheless, in the case of intensity gratings equal exposure times resulted in equal diffraction efficiencies of a series of multiplexed gratings. Up to 200 holographic intensity gratings could be multiplexed at the same location of the sample. Azobenzene-containing materials also permit the inscription of polarisation holograms. Light diffracted by these gratings is polarised perpendicular to the incident beam. This property of the holograms allows for a strong suppression of scattered light with a polariser. Writing and reading of multiplexed polarisation gratings was also performed successfully. In this case, however, equal exposure times did not result in equal diffraction efficiencies of the holograms. Blends of polystyrene with block copolymers which contained non-absorbing mesogenic side chains or mesogenic chromophores showed a good stability of individual as well as multiplexed holographic gratings. As a next step towards storing real data, extended holograms of two-dimensional test patterns were inscribed. Also several of these holograms could be multiplexed at the same location of the sample and reconstructed successfully. Since the reorientation of the azobenzene chromophores is reversible, the materials are rewritable. A suitable method was developed which enables one to delete holograms nearly completely with purely optical means and to rewrite information several thousand times without a noticeable degradation. Deleting was performed in two steps. In the first step, the sample was illuminated with a second holographic grating which was phase shifted by 180° relative to the first inscribed grating. In the second step, a single laser beam with perpendicular polarisation was used to orient the chromophores back to the polarisation direction of the writing beams. This procedure attenuated the diffraction efficiencies of the holograms by more than two orders of magnitude. Even after more than 1000 writing-erasure cycles neither a reduction of the diffraction efficiencies after writing nor a degradation of the erasure process was observed.