Fabrication de microsphères polymères pour résonateurs optiques et applications laser
Summary
Des protocoles pour la synthèse de microsphères à partir de polymères, la manipulation de microsphères et les mesures de micro-photoluminescence sont présentés.
Abstract
Cet article décrit trois procédés de préparation de microsphères fluorescentes comprenant des polymères π-conjugués ou non conjugués: diffusion de vapeur, précipitation d'interface et mini-émulsion. Dans toutes les méthodes, des sphères de taille micrométrique bien définies sont obtenues à partir d'un processus d'auto-assemblage en solution. La méthode de diffusion de la vapeur peut entraîner des sphères avec la sphéricité et la lisse de surface les plus élevées, mais les types de polymères capables de former ces sphères sont limités. D'autre part, dans le procédé de la mini-émulsion, les microsphères peuvent être fabriquées à partir de divers types de polymères, même à partir de polymères hautement cristallins avec des squelettes coplanaires π conjugués. Les propriétés photoluminescentes (PL) à partir de microsphères isolées isolées sont inhabituelles: le PL est confiné à l'intérieur des sphères, se propage à la circonférence des sphères via la réflexion interne totale à l'interface polymère / air et s'interfère pour afficher une résonance nette et périodique Lignes PL. Ces résonancesG sont les «modes de galerie des chuchotements» (WGM). Ce travail démontre comment mesurer le PL de WGM à partir de sphères isolées isolées à l'aide de la technique de micro-photoluminescence (μ-PL). Dans cette technique, un faisceau laser focalisé irradie une microsphère unique et la luminescence est détectée par un spectromètre. Une technique de micromanipulation est ensuite utilisée pour relier les microsphères une par une et pour démontrer la propagation PL et la conversion des couleurs de la microsphère couplée lors de l'excitation au périmètre d'une sphère et la détection de PL de l'autre microsphère. Ces techniques, μ-PL et micromanipulation, sont utiles pour des expériences sur des applications micro-optiques utilisant des matériaux polymères.
Introduction
Les particules de polymère nano / micro-taille sont largement utilisées pour diverses applications, y compris comme support de catalyseur, charges de chromatographie en colonne, agents d'administration de médicament, sondes fluorescentes pour le suivi des cellules, les milieux optiques, etc. 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 . En particulier, les polymères conjugués π ont des propriétés inhérentes luminescentes et conductrices de charge qui sont bénéfiques pour des applications optiques, électroniques et optoélectroniques utilisant des sphères de polymère 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , en particulier des applications laser utilisant une organisation douceMatériaux 15 , 16 , 17 . Par exemple, l'intégration tridimensionnelle de sphères avec des diamètres de plusieurs centaines de nanomètres forment des cristaux colloïdaux, qui présentent des écarts de bande photoniques à une certaine longueur d'onde 18 , 19 . Lorsque la lumière est confinée dans la structure périodique de l'intersphere, une action auxiliaire apparaît au milieu de la bande d'arrêt. D'autre part, lorsque la taille des sphères augmente à l'échelle de plusieurs micromètres, la lumière est confinée dans une seule microsphère par réflexion interne totale à l'interface polymère / air 20 . La propagation de l'onde lumineuse à la circonférence maximale entraîne une interférence, ce qui conduit à l'apparition d'un mode résonnant avec des lignes d'émission nette et périodique. Ces modes optiques sont appelés "modes de galerie murmurants" (WGM). Le terme "galerie murmurante" provient deLa cathédrale Saint-Paul à Londres, où les ondes sonores se propagent le long de la circonférence du mur, permettant aux chuchotements d'être entendus par une personne de l'autre côté de la galerie. Étant donné que la longueur d'onde de la lumière est sur l'échelle sous-micromètre, qui est beaucoup plus petite que les ondes sonores, un tel dôme important n'est pas nécessaire pour le WGM de la lumière: minuscule, micromètre, navires bien définis, tels que microsphères, microdiscs , Et les microcristaux, remplissent les conditions de WGM.
L'équation 1 est une forme simple de l'état résonnant WGM 21 :
Nπd = lλ (1)
Où n est l'indice de réfraction du résonateur, d est le diamètre, l est le nombre entier, et λ est la longueur d'onde de la lumière. La partie gauche de (1) est la longueur du trajet optique à travers une propagation circulaire. Lorsque le trajet optique coïncide avecMultiple entier de la longueur d'onde, la résonance se produit, tandis qu'à l'autre longueur d'onde, l'onde lumineuse diminue lors de l'arrondissement.
Cet article présente plusieurs méthodes expérimentales pour préparer des microsphères pour les résonateurs WGM à partir de polymères conjugués en solution: diffusion de vapeur 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29 , 30 , mini-émulsion 31 et précipitation d'interface 32 . Chaque méthode présente des caractéristiques uniques; Par exemple, le procédé de diffusion de vapeur offre des microsphères bien définies avec une sphéricité et des surfaces lisses très élevées, mais seuls des polymères à faible cristallinité peuvent former ces microsphères. D'autre part, pour la mini-émulsion, Différents types de polymères conjugués, y compris les polymères à haute cristallisation, peuvent former des sphères, mais la morphologie de la surface est inférieure à celle obtenue à partir du procédé de diffusion de la vapeur. Le procédé de précipitation d'interface est préférable pour créer des microsphères à partir de polymères non-conjugués dopé au colorant. Dans tous les cas, la sélection du solvant et du non solvant joue un rôle important dans la formation de la morphologie sphérique.
Dans la seconde moitié de ce document, des techniques de μ-PL et de micro-manipulation sont présentées. Pour la technique μ-PL, les microsphères sont dispersées sur un substrat, et un faisceau laser concentré, à travers une lentille de microscope, est utilisé pour irradier une seule microsphère isolée 24 . La PL générée d'une sphère est détectée par un spectromètre à travers la lentille du microscope. Le déplacement du stade de l'échantillon peut varier la position de l'emplacement d'excitation. Le point de détection est également variable en inclinant l'optique collimatrice de l'excEn ce qui concerne l'axe optique du chemin de détection 28 , 32 . Pour étudier la propagation de la lumière intersphere et la conversion de la longueur d'onde, la technique de micro-manipulation peut être utilisée 32 . Pour connecter plusieurs microsphères avec différentes propriétés optiques, il est possible de retirer une sphère à l'aide d'une micro-aiguille et de la placer sur une autre sphère. En conjonction avec les techniques de micromanipulation et le procédé μ-PL, diverses mesures optiques peuvent être réalisées en utilisant des sphères polymères conjuguées, qui sont préparées par un simple procédé d'auto-assemblage. Ce document vidéo sera utile aux lecteurs qui souhaitent utiliser des matériaux polymères souples pour des applications optiques.
Protocol
Representative Results
Discussion
The selection of a good solvent and non-solvent is very important for the self-assembly of well-defined microspheres. If the solubility of a polymer is too high, precipitation will not occur. Also, in general, π-conjugated polymers are hydrophobic, so polar non-solvents, such as MeOH, acetonitrile, and acetone, are often used in the vapor diffusion method to minimize the surface energy required to form a spherical shape. The interface precipitation method is often adopted for the preparation of dye-doped polymer mic…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été partiellement soutenu par KAKENHI (25708020, 15K13812, 15H00860, 15H00986, 16H02081) de JSPS / MEXT au Japon, de la Fondation Asahi Glass et de l'initiative pré-stratégique de l'Université de Tsukuba, «Ensemble of light with matters and life».
Materials
| polystyrene | Aldrich | 132427-25G | |
| sodium dodecylsulfate | Kanto Kagaku | 372035-31 | |
| tetrahydrofuran | Wako | 206-08744 | |
| chloroform | Wako | 038-18495 | |
| methanol | Wako | 139-13995 | |
| Poly(9,9-di-n-octylfluorenyl-2,7-diyl) | Aldrich | 571652-500MG | |
| Poly[2-methoxy-5-(3′,7′-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylenevinylene] (MDMOPPV) | Aldrich | 546461-1G | |
| poly[(9,9-dioctylfluorene-2,7-diyl)-alt-(5-octylthieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione-1,3-diyl)] (P1) | synthesized | – | reference 28 |
| poly[(N-(2-heptylundecyl)carbazole-2,7-diyl)-alt-(4,8-bis[(dodecyl)carbonyl]benzo[1,2-b:4,5-b′]dithiophene-2,6-diyl)] (P2) | synthesized | – | reference 28 |
| fluorescent dye (boron dipyrrin; BODIPY) | synthesized | – | reference 32 |
| Optical Microscope | Nicon | Eclipse LV-N | |
| laser_405 nm | Hutech | DH405-10-5 | |
| laser_355 nm | CNI | MPL-F-355-10ｍW | |
| Spectrometer | Lambda Vision | LV-MC3/T | |
| Homogenizer | Microtech Nichion | Physcotron NS-360D | |
| micromanipulation | Microsupport | Quick Pro QP-3RH |
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