Estudo de filmes PC/PMMA voltado para aplicações em dispositivos termo-ópticos

Abstract

Este trabalho buscou desenvolver um substituto à sílica como base material de funcionamento óptico de dispositivos termo-ópticos, onde os parâmetros críticos utilizados foram o índice de refração, o coeficiente termo-óptico e a escolha da janela espectral de operação, tendo como foco aplicativo o estudo de materiais para um sensor de temperatura. Como resultado, policarbonato (PC) e polimetilmetacrilato (PMMA) foram combinados, por serem compatíveis, transparentes ao espectro de luz visível, possuírem índices de refração razoavelmente diferentes e apresentarem valores do coeficiente termo-óptico muito mais altos que o da sílica. Foi analisada a dependência do índice de refração em relação ao comprimento de onda (no intervalo contínuo de 400 a 800 nm), à temperatura (25-85°C) e à composição da mistura (0-100 p% PC em PMMA). A técnica de spin coating foi utilizada para a confecção dos filmes e a de elipsometria espectral para as medidas de índice de refração e de espessura. Com a construção de um dispositivo de aquecimento dedicado, integrado ao elipsômetro, foram realizadas medidas in situ da variação da curva de dispersão do material em função da temperatura. Baseados nestas medidas, foi determinado o coeficiente termo-óptico dos filmes compostos, que variou de -1,72 E-4/°C a -1,11 E-4/°C, sendo 10 vezes maior que o da sílica, e sintonizabilidade do índice de refração foi alcançada entre 1,49 e 1,61, conforme a composição da mistura de polímeros. Os dados obtidos formam uma base consolidada de valores de referência para a produção de materiais com índices de refração requeridos em configurações de óptica integrada, assim como para utilização do efeito termo-óptico em aplicações específicas.

This work pursued development of a substitute of silica as material basis for operation of thermo-optical devices, with refractive index, thermo-optic coefficient and choice of spectral window as critical parameters, and application focused in the study of materials for a temperature sensor. As result, polycarbonate (PC) and poly(methyl methacrylate) PMMA were combined, since they are compatible, transparent in the visible spectrum range, and present refractive indices significantly different, as well as thermo-optic coefficients much higher then that of silica. Dependance of the refractive index was analyzed with respect to wavelength (continuous range of 400-800 nm), temperature (25-85°C) and blend composition (0-100 wt% of PC in PMMA). Films were produced by spin coating, whereas their refractive indices and thicknesses were measured by spectral ellipsometry. From a dedicated heating device, built and integrated into the ellipsometer, in situ measurements were performed to provide variation of dispersion curves with temperature. Based on these measurements, the thermo-optic coefficient of the blend films was determined, ranging from -1.72 E-4/°C to -1.11 E-4/°C, an order of magnitude higher than that of silica, and refractive index tuning was attained between 1.49 and 1.61, depending on polymer blend composition. The measured data form a consolidated basis of reference values to the production of materials with refractive indices.