The role played by azobenzene polymers in the modern photonic, electronic and opto-mechanical applications cannot be underestimated. These polymers are successfully used to produce alignment layers for liquid crystalline fluorescent polymers in the display and semiconductor technology, to build waveguides and waveguide couplers, as data storage media and as labels in quality product protection. A very hot topic in modern research are light-driven artificial muscles based on azobenzene elastomers. The incorporation of azobenzene chromophores into polymer systems via covalent bonding or even by blending gives rise to a number of unusual effects under visible (VIS) and ultraviolet light irradiation. The most amazing effect is the inscription of surface relief gratings (SRGs) onto thin azobenzene polymer films. At least seven models have been proposed to explain the origin of the inscribing force but none of them describes satisfactorily the light induced material transport on the molecular level. In most models, to explain the mass transport over micrometer distances during irradiation at room temperature, it is necessary to assume a considerable degree of photoinduced softening, at least comparable with that at the glass transition. Contrary to this assumption, we have gathered a convincing evidence that there is no considerable softening of the azobenzene layers under illumination. Presently we can surely say that light induced softening is a very weak accompanying effect rather than a necessary condition for the formation of SRGs. This means that the inscribing force should be above the yield point of the azobenzene polymer. Hence, an appropriate approach to describe the formation and relaxation of SRGs is a viscoplastic theory. It was used to reproduce pulse-like inscription of SRGs as measured by VIS light scattering. At longer inscription times the VIS scattering pattern exhibits some peculiarities which can be explained by the appearance of a density grating that will be shown to arise due to the final compressibility of the polymer film. As a logical consequence of the aforementioned research, a thermodynamic theory explaining the light-induced deformation of free standing films and the formation of SRGs is proposed. The basic idea of this theory is that under homogeneous illumination an initially isotropic sample should stretch itself along the polarization direction to compensate the entropy decrease produced by the photoinduced reorientation of azobenzene chromophores. Finally, some ideas about further development of this controversial topic will be discussed. / Azobenzenhaltige Polymere sind in modernen photonischen, elektronischen und opto-mechanischen Anwendungen nicht mehr wegzudenken. Diese Polymere werden erfolgreich in der Bildschirm- und Halbleitertechnologie eingesetzt, um Ausrichtungsschichten für flüssig-kristalline fluoreszierende Polymere zu produzieren sowie Wellenleiter und Wellenleiterkoppler herzustellen. Auch dienen sie als Medien für Datenspeicher oder der Sicherung von Qualitätsprodukten. Ein wichtiges Thema in der modernen Forschung sind lichtgetriebene künstliche Muskeln basierend auf azobenzenhaltigen Elastomeren. Die Inkorporation von Azobenzene in Polymersysteme durch kovalente Bindungen oder durch Vermischung resultiert in einer Anzahl ungewöhnlicher Effekte, welche unter Bestrahlung mit sichtbarem und ultraviolettem Licht auftreten. Der erstaunlichste Effekt ist das Erzeugen von Oberflächengittern (Surface Relief Gratings - SRGs) auf dünnen azobenzenhaltigen Polymerfilmen. Es wurden mindestens sieben Modelle zur Erklärung der Herkunft der dieses Gitter erzeugenden Kraft vorgeschlagen aber keines von diesen kann befriedigend den lichtinduzierten Massetransport auf molekularem Niveau beschreiben. Um einen Massetransport über Mikrometerabstände zu erklären, ist es in den meisten Modellen notwendig, eine deutliche lichtinduzierte Erweichung, die mit der Erweichung bei dem Glasübergang vergleichbar ist, anzunehmen. Entgegen dieser Annahme wurden in dieser Arbeit überzeugende Beweise gesammelt, dass es keine signifikante Erweichung in azobenzenhaltigen Schichten bei homogener Bestrahlung gibt. Deshalb kann man davon ausgehen, dass die lichtinduzierte Erweichung eher ein schwacher begleitender Effekt als eine notwendige Voraussetzung für die Bildung derartiger Oberflächengitter ist. Aus dieser Beobachtung muss geschlussfolgert werden, dass die erzeugende Kraft oberhalb der Fließgrenze azobenzenhaltiger Polymer liegt. Deshalb ist die viskoplastische Theorie ein geeigneter Ansatz zur Beschreibung der Formation von Oberflächengittern und deren Relaxation. Dieser Ansatz wurde genutzt, um die beim pulsartigen Erzeugen von Oberflächengittern gemessene Lichtstreuung mit einem Modell zu beschreiben. Bei längeren Bestrahlungszeiten weist das Streumuster einige Besonderheiten auf, die durch die Bildung eines Dichtegitters erklärt werden können. Dieses Gitter entsteht infolge der begrenzten Kompressibilität des Polymerfilms. Als logische Konsequenz der oben genannten Erkenntnisse wird eine thermodynamische Theorie, die die lichtinduzierte Deformation des freistehenden Filmes und die Oberflächen-gitterbildung wiedergeben kann, vorgeschlagen. Die Hauptidee ist, dass eine ursprünglich isotrope Probe sich unter homogener Bestrahlung entlang der Polarisationsrichtung ausdehnen muss, um die Entropieabnahme, die durch die lichtinduzierte Reorientierung der Azobenzene entstanden ist, zu kompensieren. In der Folge werden einige Ideen über die weitere Entwicklung dieses interessanten Themas diskutiert.

When azobenzene-modified photosensitive polymer films are irradiated with light interference patterns, topographic variations in the film develop that follow the electric field vector distribution resulting in the formation of surface relief grating (SRG). The exact correspondence of the electric field vector orientation in interference pattern in relation to the presence of local topographic minima or maxima of SRG is in general difficult to determine. In my thesis, we have established a systematic procedure to accomplish the correlation between different interference patterns and the topography of SRG. For this, we devise a new setup combining an atomic force microscope and a two-beam interferometer (IIAFM). With this set-up, it is possible to track the topography change in-situ, while at the same time changing polarization and phase of the impinging interference pattern. To validate our results, we have compared two photosensitive materials named in short as PAZO and trimer. This is the first time that an absolute correspondence between the local distribution of electric field vectors of interference pattern and the local topography of the relief grating could be established exhaustively. In addition, using our IIAFM we found that for a certain polarization combination of two orthogonally polarized interfering beams namely SP (↕, ↔) interference pattern, the topography forms SRG with only half the period of the interference patterns. Exploiting this phenomenon we are able to fabricate surface relief structures below diffraction limit with characteristic features measuring only 140 nm, by using far field optics with a wavelength of 491 nm. We have also probed for the stresses induced during the polymer mass transport by placing an ultra-thin gold film on top (5–30 nm). During irradiation, the metal film not only deforms along with the SRG formation, but ruptures in regular and complex manner. The morphology of the cracks differs strongly depending on the electric field distribution in the interference pattern even when the magnitude and the kinetic of the strain are kept constant. This implies a complex local distribution of the opto-mechanical stress along the topography grating. The neutron reflectivity measurements of the metal/polymer interface indicate the penetration of metal layer within the polymer resulting in the formation of bonding layer that confirms the transduction of light induced stresses in the polymer layer to a metal film. / Azobenzolhaltige Polymere gehören zu einer Klasse funktionaler Materialien, bei denen durch ein äußeres Strahlungsfeld eine starke mechanische Reaktion ausgelöst werden kann. Durch die Bindung an das Polymerrückgrat können die Azobenzole, die unter UV-Belichtung eine Photoisomerisierung ausführen, was zum Teil drastische Effekte zur Folge hat. Unter Belichtung mit Intensitätsmustern, d.h. mit räumlich variierender Verteilung der Polarisation oder der Intensität des einfallenden Lichts verändert sich die Topographie der azobenzolhaltigen Filme, was zur Bildung von Oberflächengittern (engl. Surface Relief Gratings, SRG) führt. In dieser Arbeit wurde eine neue Methode vorgeschlagen, bei der das Verhalten elastischer/morphologischer Eigenschaften unter verschiedenen Belichtungsbedingungen, d.h. mit unterschiedlicher Verteilung der Polarisation und der Intensität in situ lokal als Funktion der Position entlang der SRG aufgenommen werden kann. Außerdem wurde hier vorgeschlagen, opto-mechanische Spannungen, die innerhalb der photosensitiven Polymerfilme während der Belichtung entstehen, mit Hilfe dünner aufgebrachter metallischen Schichten abzubilden und zu analysieren.