Ein neuentwickeltes azobenzenhaltiges Material, das auf einem supramolekularen Konzept basiert, wird bezüglich seiner Strukturbildung während einer holografischen Belichtung bei 488 nm untersucht. Im Mittelpunkt stehen dabei eindimensionale, sinusförmige Reliefs mit Periodizitäten kleiner 500 nm. Es wird gezeigt, wie der Grad der Vernetzung der photosensitiven Schicht die Strukturbildung in diesem Größenbereich beeinflusst. Zur Maximierung der Strukturtiefe werden gezielt Prozessparameter der Belichtung sowie Materialparameter variiert. Unter Standardbedingungen und moderaten Belichtungsintensitäten von ca. 200 mW/cm² bilden sich innerhalb weniger Minuten bei einer Periode von 400 nm Strukturtiefen von bis zu 80nm aus. Durch die Beeinflussung von Materialparametern, wie Oberflächenspannung und Viskosität, wird die maximale Strukturtiefe auf 160nm verdoppelt. Durch Mehrfachbelichtungen wird auch die Bildung von zweidimensionalen Gittern untersucht. Die Originalstrukturen werden in einem Abformverfahren kopiert und in Schichten von unter UV-Licht aushärtenden Polymeren übertragen. Durch das Abformen kommt es zu einer geringfügigen Verschlechterung der Oberflächenqualität sowie Abnahme der Strukturtiefe. Dieser Verlust wird durch eine Verringerung der Prozesstemperatur verringert. Mithilfe kopierter Oberflächengitter werden organische Distributed Feedback-(DFB)-Laser zweiter Ordnung hergestellt, um den Einfluss von Gitterparametern auf die Emissionseigenschaften dieser Laser zu untersuchen. Dazu erfolgt zunächst die Charakterisierung der optischen Verstärkungseigenschaften ausgewählter organischer Emittermaterialien mittels der Variablen Strichlängenmethode. Das mit dem Laserfarbstoff Pyrromthen567 (PM567) dotierte Polystyrol (PS) zeigt dabei trotz konzentrationsbedingter geringer Absorption eine vergleichsweise geringe Gewinnschwelle von 50µJ/cm² bei ca. 575 nm. Das aktive Gast-Wirt-System der konjugierten Polymere MEH-PPV und F8BT* weist eine hohe Absorption und eine kleine Gewinnschwelle von 2,5 µJ/cm² bei 630 nm auf. Dieses Verhalten spiegelt sich auch in den Emissionseigenschaften der damit hergestellten DFB-Laser wieder. Die Dicke der aktiven Schichten liegen im Bereich hunderter Nanometer und wird so eingestellt, dass sich nur die transversalen Grundmoden im Wellenleiter ausbreiten können. Die Gitterperiode sind so gewählt, dass ein Lichtmode im Verstärkungsbereich des Emittermaterials liegt. Die Emissionslinien der Laser sind mit FWHM-Werten von bis zu 0,3 nm spektral sehr schmalbandig und weisen auf eine sehr gute Gitterqualität hin. Die Untersuchungen liefern minimale Laserschwellen und maximale differentielle Effizienzen von 4,0µJ/cm² und 8,4% für MEH-PPV in F8BT* (bei ca. 640nm) sowie 80 µJ/cm² und 0,9% für PM567 in PS (bei ca. 575 nm). Die Vergrößerung der Strukturtiefe von 40nm auf 80nm in mit MEH-PPV dotierten F8BT*-Lasern zu einem deutlichen Anstieg der ausgekoppelten Energie sowie der differentiellen Effizienz und einem geringen Absinken der Laserschwelle. Dies ist ein Resultat der erhöhten Kopplung von Lasermode und Gitter. Die Emission von DFB-Lasern mit zweidimensionalen Oberflächengittern zeigen eine Verringerung der Divergenz aber kein Einfluss auf die Laserschwelle. Abschließend erfolgt eine Vermessung der Photostabilität von DFB-Lasern unter verschiedenen Bedingungen. Das Einbringen eines konjugierten Polymers in eine aktive Matrix sowie der Betrieb in einer Stickstoffatmosphäre führen dabei zu einer Erhöhung der Lebensdauer auf über eine Million Pulse. Durch die Kombination von Oberflächengittern in PDMS-Filmen mit elektroaktiven Substraten wird eine elektrisch steuerbare Deformation des Beugungsgitters erreicht und auf einen DFB-Laser übertragen. Die spannungsinduzierte Verformung wird zunächst in Beugungsexperimenten charakterisiert und ein optimaler Arbeitspunkt bestimmt. Mit den beiden Elastomeren SEBS12 und VHB4910 werden in den Gittern maximale Periodenänderungen von 1,3% bzw. 3,4% bei einer Steuerspannung von 2 kV erreicht. Der Unterschied resultiert aus den verschiedenen Elastizitätsmoduln der Materialien. Übertragen auf DFB-Laser resultiert eine Variation der Gitterperiode senkrecht zu den Gitterlinien in einer kontinuierlichen Verschiebung der Emissionswellenlänge. Mit einem Spannungssignal von 3,25 kV wird die schmalbandige Emission eines elastischen DFB-Lasers kontinuierlich um fast 50nm von 604 nm zu 557 nm hin verschoben. Aus dem Deformationsverhalten sowohl der reinen Beugungsgitter als auch der Laser werden Rückschlüsse auf die Elastizität der verwendeten Materialien gezogen und erlauben Verbesserungen der Bauteile. / The photoinduced surface relief formation in a newly developed azobenzene containing material is investigated. A photosensitive film based on a supramolecular material concept is illuminated in a holographic setup with light at 488 nm leading to sinusoidal surface structures. It can be shown how the degree of network formation within the material influences structure formation at periods below 500nm. Different material and process parameters are varied to determine maximum possible structure amplitude. At moderate recording conditions and illumination intensities of 200 mW/cm² maximum structure amplitudes of 80 nm are formed within several minutes at periods of approximately 400 nm. Changing material parameters like surface tension and viscosity leads to an increase of maximum amplitude to 160 nm. Additionally, twodimensional structures are fabricated by multiple recording steps. Original surface structures are copied by soft lithography methods into films of UV cured polymers. This replication leads to a decrease of structure contrast and increase of surface roughness. It is shown that structure contrast is preserved by reduction of process temperature. Organic second order distributed feedback (DFB) lasers are prepared with the help of replicated surface gratings covered with organic active layers with thicknesses of several hundred nanometers. The lasers are investigated regarding the influence of grating amplitude on laser threshold and slope efficiency. For this, the optical gain of two green/red emitter materials, polystyrene (PS) doped with laser dye pyrromethene567 (PM567) and active guest host system of conjugated polymers MEH-PPV and F8BT*, is measured. PS doped with PM567 shows relatively low gain threshold of 50 µJ/cm² at 575 nm caused by the low dye concentration while F8BT* doped with MEH-PPV shows threshold gain of 2.5 µJ/cm² at 630 nm. Similar behavior is observed during laser action. Following Bragg-condition grating periods at approximately 400nm lead to laser emission within the gain spectra of the materials. DFB lasers show single mode narrow line emission with FWHMs of down to 0.3nm. This is a result of high grating quality. Lasers based on MEH-PPV-F8BT* exhibit laser thresholds and slope efficiencies of 4.0µJ/cm² and 8.4%, respectively. PM567-PS lasers exhibit 80 µJ/cm² and 0.9%. An increase of grating amplitude of a MEH-PPV-F8BT*-DFB laser from 40nm to 80nm leads to a considerable increase of energy output and a slight decrease of laser threshold. This is a result of an increase of coupling between light mode and grating which relates to an increase of reflectivity. The use of a two dimensional grating leads to a decrease of divergence angle of laser emission but shows no influence on laser threshold. Finally, laser lifetime is observed under different conditions. Doping the conjugated polymer MEH-PPV in an active matrix in combination with the allocation of nitrogen atmosphere leads to an prolongation of half life time to several million pulses. The combination of elastic surface relief gratings with electro active substrates enables electrical controlled deformation of the surface structure. This deformation is characterized by diffraction measurements. At optimal working conditions electro active substrates based on elastomers SEBS12 and VHB4910 show maximum grating deformation of 1.3% und 3.4% at actuation voltages of 2kV, respectively. The different results are caused by the different elastic modulus of the elastomer materials. The transfer of deformation principle to elastic DFB lasers leads to a continuously shift of emission wavelength. At an actuation voltage of 3.25kV an elastic DFB laser based on polyvinylacetate doped with PM567 shows a shift of nearly 50 nm, from 604 nm to 557 nm. Deformation behavior of grating and laser allow to draw conclusions on elasticity of the material and with this is tool for the improvement of the device.

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.