Frank Kahlenberg

• The development and in-depth characterization of new fluoroaryl functionalized ORMOCER® materials (inorganic-organic hybrid polymers) for optical waveguide applications in telecommunication is presented. The preparation of the materials included precursor silane synthesis, hydrolysis/polycondensation of organoalkoxysilane mixtures, and photolithographic processing of the resulting oligosiloxane resins in order to establish the inorganic-organic hybrid network. During all stages of ORMOCER® preparation, structure-property relations were deducedThe development and in-depth characterization of new fluoroaryl functionalized ORMOCER® materials (inorganic-organic hybrid polymers) for optical waveguide applications in telecommunication is presented. The preparation of the materials included precursor silane synthesis, hydrolysis/polycondensation of organoalkoxysilane mixtures, and photolithographic processing of the resulting oligosiloxane resins in order to establish the inorganic-organic hybrid network. During all stages of ORMOCER® preparation, structure-property relations were deduced from characterization data, particularly with respect to low optical loss in the important near-infrared spectral region as well as refractive index. With the aid of molecular modeling, structural characteristics of oligomeric intermediates were visualized, which was found valuable in the fundamental understanding of the material class. The material development started with the syntheses of a variety of commercially unavailable fluorinated and unfluorinated arylalkoxysilanes by means of Grignard and hydrosilylation pathways, respectively. A survey of silane optical properties, particularly their absorptions at the telecom wavelengths 1310 nm and 1550 nm, gave an impulse to the choice of suitable precursors for the preparation of low-loss ORMOCER® resins. Accordingly, precursor silane mixtures and hydrolysis/polycondensation reaction conditions were chosen and optimized with regard to low contents of C-H and Si-OH functions. Thus, absorptions as low as 0.04 dB/cm at 1310 nm and 0.18 dB/cm at 1550 nm, respectively, could be obtained from an oligosiloxane resin based on pentafluorophenyltrimethoxysilane (1) mixed with pentafluorophenyl(vinyl)-dimethoxysilane (5). In order to improve the organic crosslinkability under photolithographic processing conditions, further resins on the basis of the aforementioned were prepared, which additionally incorporated the styrene-analogous precursor 4-vinyltetrafluorophenyl-trimethoxysilane (4). Thus, ORMOCER® resins with low optical losses of 0.28 dB/cm at 1310 nm and 0.42 dB/cm at 1550 nm, respectively, were prepared, which exhibited excellent photopatternability. The manufacture of micropatterns such as optical waveguide structures by UV-photolithography under clean room conditions was the final stage of material synthesis. The optimization of processing parameters allowed the preparation of test patterns for the determination of optical, dielectrical and mechanical properties. A low optical loss of 0.51 dB/cm at 1550 nm could be measured on a waveguide manufactured from a photopatternable fluoroaryl functionalized ORMOCER®. The structural characterization of liquid resins as well as cured ORMOCER® samples was accomplished chiefly with solution and solid state 29Si-NMR spectroscopy, respectively. Particularly for polycondensates incorporating species based on more than one precursor silane, the spectra showed a high degree of complexity. An additional challenge arouse from the partial loss of fluoroaryl groups during ORMOCER® condensation and curing, which resulted in even more condensation products. Thus, in order to provide a basis for resin analysis, first the hydrolysis/condensation reactions of the isolated precursors were investigated under reaction time-resolution with NMR spectroscopy at low temperature. Backed by signal assignments in these single-precursor systems, the respective species could also be identified in the complex resin spectra, allowing for their quantitative interpretation. The structural characterization was rounded out by IR spectroscopy and SAXS analyses. With the help of molecular modeling, the experimental data were finally transferred into a three-dimensional image of an organosiloxane oligomer, which is representative for a photopatternable fluoroaryl functionalized ORMOCER® resin. The combination of low-temperature NMR, which made the characterization of polycondensates possible, with oligomer modeling paved the way to a further understanding of ORMOCER® resin systems. On the basis of this visualization of structural characteristics, e.g. properties such as organic crosslinkability of oligomers were discussed in the light of steric features within the molecular structure. Thus, new possibilities were established for the systematic optimization of ORMOCER® formulations. Structure-property relations with respect to optical loss and refraction, as determined within this work, follow trends, which are in accordance with the literature. Particularly the direct comparison of data derived from analogous fluorinated and unfluorinated ORMOCER® resins showed that fluorination results in significant decrease in NIR optical loss. Additionally, different unfluorinated aryl functionalized systems with varying aliphatic C-H content were compared. In case of a lower aliphatic content, a widening effect on the 1310 nm window was found. This is due to a shift of arylic C-H vibrations (1145 nm) towards lower wavelengths compared to aliphatic C-H (1188 nm). Finally, on the basis of NIR spectra of analogous fluorinated resins with low and high silanol content, respectively, a significant impact of (Si)O-H groups on the 1550 nm window was demonstrated, while the 1310 nm window was unaffected. This is due to O-H vibrations with a maximum at 1387 nm and further bands at higher wavelength. The index of refraction was drastically lowered due to fluorination. Thus, the analogous fluorinated and unfluorinated ORMOCER® resins had indices of 1.497 and 1.570, respectively, in the VIS region. For the fluorinated systems, refraction did not change significantly during organic cross-connection and hardbake. In conclusion, the new fluoroaryl functionalized ORMOCER® systems represent low-loss materials for telecom applications. In addition, in-depth characterization during material development allowed the proposal of structure-property relations, particularly with respect to optical properties, which are of considerable importance for future developments.…
• Die vorliegende Arbeit befasste sich mit der Entwicklung und detaillierten Charakterisierung von fluorarylmodifizierten ORMOCER®en (anorganisch-organischen Hybridpolymeren) für optische Wellenleiteranwendungen in der Tele- und Datenkommunikation. Die Materialsynthese erstreckte sich von der Darstellung von kommerziell nicht erhältlichen Arylalkoxysilanen, die als molekulare Vorstufen dienten, über deren Hydrolyse/Polykondensationsreaktion bis hin zur abschließenden photochemischen Prozessierung zum Aufbau des hybriden Polymernetzwerkes. ZuDie vorliegende Arbeit befasste sich mit der Entwicklung und detaillierten Charakterisierung von fluorarylmodifizierten ORMOCER®en (anorganisch-organischen Hybridpolymeren) für optische Wellenleiteranwendungen in der Tele- und Datenkommunikation. Die Materialsynthese erstreckte sich von der Darstellung von kommerziell nicht erhältlichen Arylalkoxysilanen, die als molekulare Vorstufen dienten, über deren Hydrolyse/Polykondensationsreaktion bis hin zur abschließenden photochemischen Prozessierung zum Aufbau des hybriden Polymernetzwerkes. Zu jedem dieser Entwicklungsstadien wurden Struktur-Eigenschaftsbeziehungen ermittelt. Hauptaugenmerk hierbei lag auf der optischen Dämpfung im relevanten Nah-Infrarotspektralbereich und der Brechzahl. Details in der Molekülstruktur von oligomeren Zwischenstufen schließlich wurden basierend auf spektroskopischen Daten mit Hilfe von Molecular Modeling visualisiert. Die Synthesen der fluorierten und unfluorierten Arylalkoxysilane stützten sich wesentlich auf Grignard- und Hydrosilylierungsrouten. Bereits die Ermittlung von optischen Eigenschaften der Vorläufersilane lieferte wichtige Impulse für den einzuschlagenden Weg bei der Entwicklung von verlustarmen ORMOCER®-Harzen. Zur Erreichung geringer Schwingungsabsorptionen bei 1310 nm und 1550 nm wurden somit sowohl die initialen Silangemische als auch die Bedingungen der Polykondensationsreaktionen hinsichtlich geringem Gehalt an C-H und Si-OH Gruppen optimiert. Auf diese Weise konnten geringe optische Verluste von 0.04 dB/cm bei 1310 nm und 0.18 dB/cm bei 1550 nm an einem ORMOCER®-Harz gemessen werden, das ausgehend von Pentafluorphenyltrimethoxysilan (1) und Pentafluorphenyl(vinyl)-dimethoxysilan (5) dargestellt wurde. In der Folge wurden weitere Harzsysteme entwickelt, um die organische Vernetzbarkeit der Materialien unter photolithographischen Prozessierungsbedingungen zu erhöhen. Hierzu wurde basierend auf der vorgenannten Silanzusammensetzung das Styrol-analoge 4-Vinyltetrafluorphenyltrimethoxysilan (4) zum Ausgangsgemisch hinzugefügt. Damit konnten ORMOCER®-Harze von ausgezeichneter Photostrukturierbarkeit dargestellt werden, die geringe optische Verluste von bis zu 0.28 dB/cm bei 1310 nm und 0.42 dB/cm bei 1550 nm aufwiesen. Die Materialsynthese wurde vervollständigt durch die photolithographische Darstellung von optischen Wellenleitern und anderen Mikrostrukturen unter Ausbildung des anorganisch-organischen Hybridnetzwerks. Unter Reinraumbedingungen konnten Prozessierungsparameter dahingehend optimiert werden, dass die Präparation von ORMOCER®-Teststrukturen für die optische, dielektrische und mechanische Charakterisierung ermöglicht wurde. An einem optischen Schichtwellenleiter aus einem photostrukturierbaren fluorarylfunktionalisierten ORMOCER® wurde bei 1550 nm eine optische Dämpfung von 0.51 dB/cm gemessen. Die Strukturaufklärung von flüssigen Harzen und ausgehärteten ORMOCER®-Proben erfolgte größtenteils mittels 29Si-NMR Spektroskopie. Die Polykondensatspektren setzten sich aus einer Vielzahl von Signalen zusammen, die einerseits die Ausgangssilangemische und andererseits deren unterschiedliche Kondensationsstufen widerspiegelten. Eine zusätzliche Herausforderung ergab sich aus der partiellen Abspaltung der Fluorarylfunktionalität während der Prozessierung, die zu weiteren Kondensationsprodukten führte. Aufgrund der damit gegebenen Komplexität der Spektren wurden zunächst die Ausgangssilane isoliert einer Hydrolyse/Kondensationsreaktion unterworfen und die Reaktionsgemische zeitaufgelöst mittels Tieftemperatur-Messreihen analysiert. Auf Grundlage der damit getroffenen Signalzuordnungen für die Reaktionsintermediate konnten in der Folge ebenfalls die komplexen Kondensatspektren quantitativ aufgeschlüsselt werden. Die Strukturaufklärung wurde mittels Infrarotspektroskopie und Röntgenkleinwinkelstreuung (im Fall der Harze) vervollständigt. Die Veranschaulichung der molekularen Struktur eines Siloxanoligomers in einem photopolymerisierbaren fluorarylfunktionalisierten ORMOCER®-Harz erfolgte mittels Molecular Modeling. Hierbei ist zu betonen, dass das resultierende Modell wesentlich auf experimentell ermittelten Strukturkenndaten basierte. Mit der Kombination Tieftemperatur-NMR / Harzcharakterisierung / Oligomermodeling wurde somit ein wichtiger Zugang zum weiteren Verständnis von ORMOCER®-Harzsystemen eröffnet. Als Beispiel konnten gestützt auf die Visualisierung von sterischen Charakteristika Eigenschaften wie die organische Vernetzbarkeit des Siloxanoligomers diskutiert werden. Hieraus eröffnen sich zukünftig neue Möglichkeiten zur gezielten Optimierung von ORMOCER®-Formulierungen. Aus Charakterisierungsdaten wurden Struktur-Eigenschaftsbeziehungen hinsichtlich optischer Dämpfung und Brechzahl abgeleitet, die literaturkonformen Trends folgten. Insbesondere im direkten Vergleich von analogen fluorierten und unfluorierten Materialien wurde der Effekt des Ersatzes von C-H durch C-F Bindungen deutlich. Optische Dämpfungswerte im NIR wurden durch Fluorierung signifikant verringert. Darüber hinaus konnte im Vergleich von unfluorierten Hybridpolymeren mit unterschiedlich hohem Anteil an aliphatischen und aromatischen C-H Bindungen gezeigt werden, wie durch einen geringeren Anteil an Aliphaten das Telekommunikationsfenster bei 1310 nm erweitert wird. Dies ist durch die unterschiedliche Lage von Obertonschwingungen für aliphatische (1188 nm) und aromatische C-H (1145 nm) begründet. Schließlich konnte anhand von analogen fluorierten Harzen mit unterschiedlichem Silanolgehalt eine signifikante Erhöhung der Dämpfung bei 1550 nm durch (Si)O-H Obertonschwingungen nachgewiesen werden, während die Absorption bei 1310 nm unbeeinflusst blieb. Hierfür war ein Absorptionsmaximum bei 1387 nm sowie eine Reihe schwächerer Banden bei höheren Wellenlängen verantwortlich. Die Brechzahl der Materialien wurde durch Fluorierung drastisch verringert. So wurden im VIS-Spektralbereich bei analogen fluorierten und unfluorierten Harzen Werte von 1.497 bzw. 1.570 ermittelt. Für den Fall der fluorierten Harzsysteme wurde keine signifikante Brechzahlveränderung im Zuge der organischen Quervernetzung festgestellt. Die neuentwickelten fluorarylfunktionalisierten ORMOCER®e eignen sich im Fazit als niedrig dämpfende Materialien für Telekomanwendungen. Zudem konnten mit Hilfe einer detaillierten Strukturaufklärung Struktur-Eigenschaftsbeziehungen herausgearbeitet werden, die wichtige Impulse für zukünftige Entwicklungen auf dem Gebiet liefern.…