Un polímero de alto índice de refracción (HRIP) es un polímero que tiene un índice de refracción superior a 1,50. [1]
Dichos materiales son necesarios para revestimientos antirreflectantes y dispositivos fotónicos como diodos emisores de luz (LED) y sensores de imagen . [1] [2] [3] El índice de refracción de un polímero se basa en varios factores que incluyen la polarización , la flexibilidad de la cadena, la geometría molecular y la orientación del esqueleto del polímero. [4] [5]
En 2004, el índice de refracción más alto de un polímero fue 1,76. [6] Se han introducido sustituyentes con fracciones molares altas o nanopartículas con alto contenido de n en una matriz de polímero para aumentar el índice de refracción en los polímeros. [7]
Propiedades
Índice de refracción
Un polímero típico tiene un índice de refracción de 1,30-1,70, pero a menudo se requiere un índice de refracción más alto para aplicaciones específicas. El índice de refracción está relacionado con la refractividad molar , la estructura y el peso del monómero. En general, la refractividad molar alta y los volúmenes molares bajos aumentan el índice de refracción del polímero. [1]
Propiedades ópticas
La dispersión óptica es una propiedad importante de un HRIP. Se caracteriza por el número de Abbe . Un material de alto índice de refracción generalmente tendrá un número de Abbe pequeño o una alta dispersión óptica. [8] Se ha requerido una birrefringencia baja junto con un índice de refracción alto para muchas aplicaciones. Se puede lograr utilizando diferentes grupos funcionales en el monómero inicial para hacer el HRIP. Los monómeros aromáticos aumentan el índice de refracción y disminuyen la anisotropía óptica y, por lo tanto, la birrefringencia. [7]
También se desea una alta claridad (transparencia óptica) en un polímero de alto índice de refracción. La claridad depende de los índices de refracción del polímero y del monómero inicial. [9]
Estabilidad térmica
Al observar la estabilidad térmica, las variables típicas medidas incluyen la transición vítrea , la temperatura de descomposición inicial, la temperatura de degradación y el rango de temperatura de fusión . [2] La estabilidad térmica se puede medir mediante análisis termogravimétrico y calorimetría diferencial de barrido . Los poliésteres se consideran térmicamente estables con una temperatura de degradación de 410 ° C. La temperatura de descomposición cambia dependiendo del sustituyente que está unido al monómero usado en la polimerización del polímero de alto índice de refracción. Por tanto, los sustituyentes de alquilo más largos dan como resultado una estabilidad térmica más baja. [7]
Solubilidad
La mayoría de las aplicaciones favorecen los polímeros que son solubles en tantos disolventes como sea posible. Los poliésteres y poliimidas de alta refracción son solubles en disolventes orgánicos comunes como diclorometano , metanol , hexanos , acetona y tolueno . [2] [7]
Síntesis
La ruta de síntesis depende del tipo de HRIP. La poliadición de Michael se usa para una poliimida porque se puede llevar a cabo a temperatura ambiente y se puede usar para la polimerización de crecimiento por etapas . Esta síntesis se logró por primera vez con poliimidotiéteres, lo que dio como resultado polímeros ópticamente transparentes con alto índice de refracción. [2] Las reacciones de policondensación también son comunes para producir polímeros de alto índice de refracción, como poliésteres y polifosfonatos. [7] [10]
Tipos
Se han logrado índices de refracción elevados mediante la introducción de sustituyentes con refracciones molares elevadas (HRIP intrínsecos) o mediante la combinación de nanopartículas de alta n con matrices poliméricas (nanocomposites HRIP).
HRIP intrínseco
Los sustituyentes que contienen azufre que incluyen tioéter y sulfona lineales , tiofeno cíclico , tiadiazol y tiantreno son los grupos más comúnmente usados para aumentar el índice de refracción de un polímero. [11] [12] [13] Los polímeros con restos de tiantreno y tetratiaantraceno ricos en azufre exhiben valores de n por encima de 1,72, dependiendo del grado de empaquetamiento molecular.
Los elementos halógenos , especialmente el bromo y el yodo , fueron los primeros componentes que se utilizaron para desarrollar HRIP. En 1992, Gaudiana et al. informó de una serie de compuestos de polimetilacrilato que contienen anillos carbazol bromados y yodados laterales . Tenían índices de refracción de 1,67-1,77 dependiendo de los componentes y números de los sustituyentes halógenos. [14] Sin embargo, las aplicaciones recientes de elementos halógenos en microelectrónica se han visto severamente limitadas por la directiva WEEE y la legislación RoHS adoptada por la Unión Europea para reducir la contaminación potencial del medio ambiente. [15]
Los grupos que contienen fósforo , tales como fosfonatos y fosfacenos , exhiben a menudo una alta refractividad molar y transmitancia óptica en la región de la luz visible. [3] [16] [17] Los polifosfonatos tienen índices de refracción altos debido al resto de fósforo, incluso si tienen estructuras químicas análogas a los policarbonatos . [18] Shaver y col. reportaron una serie de polifosfonatos con diferentes estructuras, alcanzando el índice de refracción más alto reportado para los polifosfonatos en 1.66. [10] Además, los polifosfonatos presentan una buena estabilidad térmica y transparencia óptica; también son adecuados para moldear en lentes de plástico. [19]
Los componentes organometálicos dan como resultado HRIP con buena capacidad de formación de película y dispersión óptica relativamente baja. Los polferrocenilsilanos [20] y los polferrocenos que contienen separadores de fósforo y cadenas laterales de fenilo muestran valores n inusualmente altos (n = 1,74 yn = 1,72). [21] Podrían ser buenos candidatos para dispositivos fotónicos totalmente poliméricos debido a su dispersión óptica intermedia entre polímeros orgánicos y vidrios inorgánicos .
Nanocompuesto HRIP
Las técnicas híbridas que combinan una matriz de polímero orgánico con nanopartículas inorgánicas altamente refractivas podrían dar como resultado valores altos de n. Los factores que afectan el índice de refracción de un nanocompuesto de alta n incluyen las características de la matriz polimérica, las nanopartículas y la tecnología híbrida entre componentes inorgánicos y orgánicos. El índice de refracción de un nanocompuesto se puede estimar como, dónde , y representan los índices de refracción del nanocompuesto, nanopartícula y matriz orgánica, respectivamente. y representan las fracciones de volumen de las nanopartículas y la matriz orgánica, respectivamente. [22] La carga de nanopartículas también es importante en el diseño de nanocompuestos HRIP para aplicaciones ópticas, porque concentraciones excesivas aumentan la pérdida óptica y disminuyen la procesabilidad de los nanocompuestos. La elección de las nanopartículas a menudo está influenciada por su tamaño y características superficiales. Para aumentar la transparencia óptica y reducir la dispersión de Rayleigh del nanocompuesto, el diámetro de la nanopartícula debe ser inferior a 25 nm. [23] La mezcla directa de nanopartículas con la matriz de polímero a menudo da como resultado la agregación indeseable de nanopartículas; esto se evita modificando su superficie. Las nanopartículas más comúnmente utilizadas para HRIP incluyen TiO 2 ( anatasa , n = 2,45; rutilo , n = 2,70), [24] ZrO 2 (n = 2,10), [25] silicio amorfo (n = 4,23), PbS (n = 4,20) [26] y ZnS (n = 2,36). [27] Las poliimidas tienen índices de refracción altos y, por lo tanto, se utilizan a menudo como matriz para nanopartículas con alto contenido de n. Los nanocompuestos resultantes exhiben un índice de refracción sintonizable que varía de 1,57 a 1,99. [28]
Aplicaciones
Sensores de imagen
Una matriz de microlentes es un componente clave de la optoelectrónica, las comunicaciones ópticas, los sensores de imagen CMOS y las pantallas . Las microlentes a base de polímero son más fáciles de hacer y son más flexibles que las lentes de vidrio convencionales. Los dispositivos resultantes consumen menos energía, son más pequeños y más económicos de producir. [1]
Litografía
Otra aplicación de los HRIP es la litografía por inmersión . En 2009 fue una nueva técnica para la fabricación de circuitos utilizando tanto fotorresistentes como fluidos de alto índice de refracción. La fotorresistencia debe tener un valor n superior a 1,90. Se ha demostrado que los HRIP no aromáticos que contienen azufre son los mejores materiales para un sistema fotoprotector óptico. [1]
LED
Los diodos emisores de luz (LED) son una fuente de luz de estado sólido común. Los LED de alto brillo (HBLED) a menudo están limitados por la eficiencia de extracción de luz relativamente baja debido a la falta de coincidencia de los índices de refracción entre el material LED ( GaN , n = 2,5) y el encapsulante orgánico ( epoxi o silicona, n = 1,5). Se pueden lograr salidas de luz más altas utilizando un HRIP como encapsulante. [29]
Ver también
- Índice de refracción
- Refractómetro
- Abbe número
- Optoelectrónica
- Polarizabilidad
- Birrefringencia
- Ecuación de Lorentz-Lorenz
- Dispersión
- Anisotropía óptica
- Nanocompuesto
- Sensor de imagen
- Litografía de inmersión
- Diodo emisor de luz orgánico (OLED)
Referencias
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Otras lecturas
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