Neuartige Photoinitiatorsysteme für die Polymerisation durch Zweitphotonenabsorption

Zwei- (Mehr-) photonen-Polymerisation (2(M)PP) ist eine generative Fertigungstechnik (AMT), welche auf der lichtinduzierten Vernetzung eines Photoharzes im Fokus eines Laserstrahls beruht. Basierend auf der Nichtlinearität der Zweiphotonenabsorption wird es so möglich komplexe 3D Strukturen mit einer Auflösung zu erzielen, die erheblich die Beschränkung unterschreiten, die sonst durch die Beugungsbegrenzung des verwendeten Lichtstrahls sowie die Fokussierungsoptik gegeben wären. Die kleinsten Strukturen, die gegenwärtig so erreicht werden, liegen knapp unter 100nm. Die Möglichkeit komplexe 3D Strukturen mit dieser Präzession herzustellen ist ausschlaggebend für viele Weiterentwicklungen in Bereichen wie die Nano-optik, Mikroelektronik und Biowissenschaften. Ungeachtet der Tatsache, dass die erreichte Auflösung die anderer generativer Fertigungstechniken übertrifft, existieren doch wesentliche Probleme und Schranken, wenn man die Methode auch industriell anwenden will: einerseits die meist kleinen Prozessgeschwindigkeiten sowie das Fehlen der dazu nötigen speziellen Materialien. Für den industriellen Einsatz, ist es daher zuerst notwendig, die Verarbeitungsgeschwindigkeit zu steigern. Ein entscheidender erster Schritt um dies zu erreichen, ist die Entwicklung leistungsstarker Zweiphotonen- Photoinitiatoren (2PIs). Durch die Verwendung der konventionellen Z-Scan Technik ist es möglich die Zweiphotonen-Absorption (2PA) eines Photoinitiators für eine fixe Wellenlänge zu messen und ihn damit einigermaßen zu charakterisieren. Für eine vollständige zuverlässige Charakterisierung der nichtlinearen Eigenschaften und damit für sein Potential für industrielle Nutzung ist es notwendig auch die spektrale Abhängigkeit der 2PA zu bestimmen und die Initiatoren dementsprechend anzupassen. Im Rahmen dieses Projektes soll daher ein Verfahren entwickelt und angewendet werden, welches es erlaubt das gesamte 2PA Spektrum vom sichtbaren bis in den nahen Infrarot-Bereich gleichzeitig in einer Messung zu erhalten. Dazu wird Supercontiuum (SC) generiertes Weißlicht von einem Ultrakurzzeitlaser verwendet. Der Aufbau der entsprechenden Apparatur und die damit durchgeführten Messungen stellt dabei einen wesentliches Teilziel des Projektes dar. Wenn ein großer 2PA-Wirkungsquerschnitt auch eine wichtiger Parameter und eine Voraussetzung für die industrielle Anwendung darstellt, ist er nicht alleine ausschlaggebend für die Bildung von Radikalen beim Prozess selbst. Dies ist deshalb der Fall, weil die absorbierte Energie statt Radikale zu bilden auch durch Fluoreszenzstrahlung oder thermische Effekte verloren gehen kann. Die praktische Effizienz eines 2PI muss daher nach Bestimmung seines 2PA auch direkt in der Zweiphotonen-strukturierung getestet werden. Beide Eigenschaften sind für die Evaluation und den Vergleich verschiedener Materialien unabdingbar. Unsere Gruppe an der TU Wien hat in letzter Zeit eine umfassende Zweistufenprozedur dazu entwickelt. Das Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung neuartiger PIs für den Einsatz bei Mehrphotoneninduzierter Polymerisation. Dies soll durch eine interdisziplinäre Zusammenarbeit von drei Gruppen erreicht werden. Diese haben die nötige Expertise in Synthesechemie, Nichtlineare Optik und Laserphysik sowie Maschinenbau. Die erfolgreiche technische Realisierung des Projektes basiert auf drei wesentlichen Fortschritten: (i) Synthese von neuartigen aromatischen ketone-basierten 2PIs; (ii) Entwicklung eines Weißlicht Z-scan zur vollständigen spektralen Charakterisierung der 2 (oder M)PA Eigenschaften dieser PIs; (iii) Evaluierung ihres Verhaltens für 2PP bei verschiedenen Prozessgeschwindigkeiten und Anregungswellenlängen.

Die Hauptziele des vorliegenden Projekts waren die Entwicklung fortschrittlicher Photoinitiatorsysteme für effiziente Zwei-Photonen-induzierte Photopolymerisation sowie einer neuen Methode zur Schnellbestimmung spektraler Charakteristika der nichtlinearen Absorption solcher Verbindungen. Die Herausforderung im letzteren Fall ist, dass konventionelle Z-Scan-Methoden für Messungen bei einer einzelnen Wellenlänge ausgelegt und kaum für spektrale Charakterisierung adaptierbar sind. Gleichzeitig kann die Anpassung der spektralen Absorptionseigenschaften der Photoinitiatoren an die bei der Zwei-Photonen- Polymerisation benutzten Wellenlänge sich nachteilig auf die Effizienz des Prozesses auswirken. Im Rahmen des Projektes wurde ein neues Z-Scan-Setup entwickelt, das auf Superkontinuum-Weißlicht als kohärenter Ultra-Breitband-Lichtquelle basiert. Ein derartiger Weißlicht-Strahl wird in ein zweidimensionales Licht-"Blatt" zerlegt, das oben und unten verschiedene Wellenlängen aufweist. Auf diesem Weg ist es möglich, die Absorptions- Charakteristika von Photoinitiatoren bei verschiedenen Wellenlängen in einer einzigen Messung zu analysieren. Das entwickelte Setup wurde kalibriert und benutzt um neue Photoinitiatoren zu charakterisieren, die für Zwei-Photonen-Polymerisation bei hohen Schreibgeschwindigkeiten eingesetzt wurden.