Fabricage van Polymer Microsferen voor Optische Resonator en Laser Applicaties

Het algemene doel van deze procedure is om optische microresonatoren te produceren voor laserapparaten, optische circuits en chemische en biologische optische sensoren. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van belangrijke vragen in de functionele polymeermateriaalwereld, zoals polymeeroptiek, opto-elektronica en elektronica. Het grote voordeel van deze eenvoudige en energiezuinige techniek is dat het functionele polymeren gebruikt om optische resonatoren te fabriceren die zowel optische als elektrische eigenschappen hebben.

De procedure zal worden gedemonstreerd door de heren Okada, Zakarias en Oki, afgestudeerde studenten uit mijn laboratorium. Om de dampdiffusiemethode voor deze procedure te starten, voeg je vijf milliliter methanol toe aan een 50 milliliter flacon. Los vervolgens twee milligram geconjugeerde polymeren op in twee milliliter chloroform in een vijf milliliter flacon.

Plaats de vijf milliliter flacon voorzichtig in de 50 milliliter flacon. Sluit vervolgens de 50 milliliter flacon. Incubeer gedurende drie dagen bij 25 graden Celsius om de polymeermicrosferen te laten bezinken.

Om de mini-emulsiemethode te starten, los je vijf milligram geconjugeerde polymeren op in één milliliter chloroform. Los vervolgens 30 milligram SDS op in twee milliliter gedeïoniseerd water. Voeg 100 microliter van het polymeermengsel toe aan de SDS-oplossing.

Gebruik een ultrahoge snelheidshomogenisator om gedurende twee minuten te roeren bij 30.000 RPM. Laat de emulsie een dag rusten zonder de dop om het chloroform te laten verdampen. Centrifugeer de volgende dag de dispersie in een 1,5 milliliter centrifugebuis gedurende vijf minuten bij 2.200 keer g.

Na het verwijderen van het supernatant, voeg je één milliliter gedeïoniseerd water toe en schud je krachtig. Herhaal de centrifugatie, het verwijderen van het supernatant en het wassen met water drie keer om alle resterende SDS volledig te verwijderen. Om de interface precipitatiemethode te starten, los je 20 milligram polystyreen op in één milligram fluorescerende kleurstof in 20 milliliter tetrahydrofuran.

Voeg één milliliter gedeïoniseerd water toe aan een lege 1,5 milliliter microbuis. Giet vervolgens voorzichtig 0,2 milliliter van de THF-oplossing op de waterlaag, zorg ervoor dat de lagen niet met elkaar mengen. Laat de flacon zes uur rusten zonder de dop om de polymeermicrosferen te laten bezinken.

Om te beginnen, verdun je een suspensie van voorbereide microsferen 10 keer met een slecht oplosmiddel zoals methanol of gedeïoniseerd water. Gebruik een spin coater om één druppel van de verdunde suspensie op een kwarts substraat te spuiten. Laat de resulterende gecoate film drogen tot de oplosmiddelen volledig zijn verdampt.

Breng vervolgens het kwarts substraat over naar het monsterplatform van een optische microscoop. Identificeer een geïsoleerde en goed gedefinieerde microsfeer voor microfotoluminescentiemetingen. Stel de lasercondities in zoals beschreven in het tekstprotocol en gebruik een gefocuste laserstraal om de microsfeer te belichten.

Gebruik een spectrometer om het fotoluminescentiespectrum op te nemen. Neem vervolgens een fluorescentiebeeld van de belichte microsfeer. Om te beginnen, plaats je het kwarts substraat op het monsterplatform van een optische microscoop.

Identificeer een enkele goed gedefinieerde microsfeer. Plaats vervolgens een tungsteennaald op een micromanipulatieapparaat. Gebruik een touchpanelcontroller om de naald te bewegen en de microsfeer op te pakken.

Verbind de verzamelde microsfeer met een andere goed gedefinieerde microsfeer. Belicht vervolgens de microsfeer met een gefocuste laserstraal. Gebruik een spectrometer om het fotoluminescentiespectrum op te nemen.

Neem vervolgens een fluorescentiebeeld van de belichte microsferen. In deze studie zijn goed gedefinieerde polymeermicrosferen gemaakt met behulp van drie verschillende methoden. De dampdiffusiemethode, de mini-emulsiemethode en de interface precipitatiemethode.

Scanning elektronenmicroscopie toont aan dat de dampdiffusie en interface precipitatiemethoden microsferen produceren met een zeer gladde oppervlaktemorfologie. Die verkregen uit de mini-emulsiemethode zijn echter ruw omdat de oppervlakteactieve stof het hele oppervlak bedekt. De fotoluminescentie van de whispering gallery mode wordt vervolgens opgenomen voor een enkele microsfeer van polymeer één, polymeer twee en hun mengsel.

De Q-factor bleek 2.200 te zijn voor polymeer één. Microsferen samengesteld uit polymeer twee bereikten echter slechts een maximum van 300, mogelijk vanwege hun ruwe oppervlaktemorfologie. Microsferen samengesteld uit het polymeermengsel behielden een hoge Q-factor van 1.500, waarschijnlijk vanwege de gladde morfologie.

Polymorfe polaron kleurstof-gedopte polystyreenmicrosferen met fotoluminescente kleuren groen, geel, oranje en rood werden verbonden tot tetrasferen om de energieoverdracht tussen sferen te onderzoeken. De lichtenergieoverdracht van groen naar geel en van geel naar oranje blijkt efficiënt te zijn, terwijl de energieoverdracht van oranje naar rood niet optreedt vanwege de kleine overlapping tussen de fotoluminescente band van de energiedonor en de adsorptieband van de energieacceptor. Daarom komen upgeconverte energieoverdrachten, zoals van rood naar oranje, geel en groen, nauwelijks voor.

Wanneer je deze procedure probeert, is het belangrijk om te onthouden dat je de flacons niet mag schudden, omdat dit een snelle precipitatie kan veroorzaken die leidt tot slecht gedefinieerde aggregaten. Volgens deze procedure kunnen andere methoden zoals emulsiepolymerisatie en dispersiepolymerisatiemethoden worden uitgevoerd om aanvullende vragen te beantwoorden, zoals hoe monodisperse polymeersferen kunnen worden bereid voor toepassing in colloïdale fotonische kristallen. Na de ontwikkeling ervan heeft deze techniek de weg gebaand voor onderzoekers op het gebied van polymeerwetenschap om optische en lasertoepassingen te verkennen met behulp van functionele polymeren.

Na het bekijken van deze video, zou je een goed begrip moeten hebben van hoe je micro-optische resonatoren kunt bereiden door middel van een bottom-up zelfassembleringsproces. Vergeet niet dat je bij het werken met laserapparaten speciale zorg moet hebben om jezelf te beschermen tegen laserstralen die je ogen kunnen beschadigen.