Refractive index tunability studies on sol-gel derived di-ureasil Zr-oxo-cluster thin films

Abstract

Os guias de onda ópticos são elementos importantes nas redes de comunicações ópticas sendo processados como dispositivos ópticos integrados para a eficiente distribuição de sinal. O principal parâmetro a ser considerado para a constução de um guia de onda é o seu índice de refração, que por sua vez dependente da composição do material do filme. Guias de onda realizados em materiais híbridos organicos-inorgânicos apresentam tunabilidade do índice de refracção e podem ser processados com baixo custo, fazendo com que sejam adequados para aplicação em redes locais de acesso. Para obter dispositivos ópticos integrados com a adequado índice de refração, é necessário conhecer a sua dependência com a sua composição do material e tempo de exposição UV. Neste estudo o material orgânicoinorgânico, di-ureiapropiltrietóxisilano (d-U(600)), contendo ácido metacrílico (MAA) e tetrapropóxido de zircónio (ZPO), denominado como “di-ureiasil zircónio oxo-cluster” foi sintetizado usando o método sol gel e processado em filmes finos através da técnica de deposição por rotação do substrato (spin coating). O MAA é um composto sensivel à radiação UV, que altera a sua estrutura quando irradiado, resultando numa mudança de fase ao nível molecular. A técnica de acoplamento por prisma foi usada para medir o índice de refração das amostras expostas e não expostas à radiação UV. O principal objectivo desta tese é determinar a dependência do índice de refracção em função da concentração de Zr e MAA e do tempo de exposição UV. Este estudo contribui para a escolha adequade para a composição do materials e do tempo de exposição UV, para o processamento de dispositivos. Os resultados mostram que em amostras não expostas à radiação UV, existe uma maior sintonio do índice de refração através da variação de Zr, por outro lado, o aumento da concentração de MAA conduz a uma saturação do valor do índice de refracção. Sob radiação UV, amostras com Zr em diferentes concentrações: diluído [Si:Zr(80:20)], intermédio [Si:Zr(60:40)] e sistema concentrado [Si:Zr(40:60)] apresentaram diferentes comportamentos da alteração de índice de refração, devido á exposição UV. O espectro de absorção UV-Visível das amostras mostra claramente que as concentrações de ZPO e MAA influenciam, a absorção dos filmes sob irradiação UV.

Planar optical waveguides are important element in optical telecommunication networks, being processed as integrated optical devices for efficient signal distribution. The main parameter to be considered for the waveguide production is its refractive index, which is dependent on the material composition. Hybrid material waveguides present refractive index tunability and can be processed at low cost, making them well suited for application in local area networks. To obtain integrated optical devices with the appropriate refractive index, it is necessary to know its dependency on the material composition and exposure to UV. In this study, organic-inorganic hybrid material di-ureapropyltriethoxysilane (d-U(600)) containing Methacrylic acid (MAA) and Zirconium (IV) tetrapropoxide, named as ‘di-ureasilzirconium oxocluster’ have been synthesized using sol-gel method in various Si:Zr:MAA molar ratios and processed as thin films by spin coating. MAA is a UV photosensitive compound that changes its structure when irradiated, resulting in a phase change at molecular level. Prism coupler technique was used to measure the refractive index of the unexposed and UV exposed films. The basic aim of the thesis is to find the characteristic of the refractive index as function of Zr and MAA concentration and UV exposure time. The study guide us in choosing the optimal composition of materials and UV exposure time for processing devices with a particular refractive index. Results show, in samples without exposure to UV, there is higher tunable range of refractive index, by varying the Zr concentration, whereas, the MAA increase show a saturation behavior for refractive index change. Under UV irradiation, samples having Zr in various concentrations : diluted [Si:Zr(80:20)], intermediate [Si:Zr(60:40)] and concentrated systems [Si:Zr(40:60)] showed different behavior of refractive index change. The UV-Visible absorption spectra of the samples clearly show there is influence of Zr and MAA concentration on the absorption of the films under UV irradiation.