Spectroscopic infrared ellipsometry on functional polymer films

Abstract

The aim of the present work is the qualitative as well as quantitative investigation of functional polymer films and stimuli-responsive polymer brushes by means of spectroscopic infrared ellipsometry. The strength of this method lies in its ability to measure molecular vibrations of organic thin-film systems in-situ at the solid–liquid interface to aqueous environments, and to quantify these vibrations with optical layer models. Among others, molecular vibrations give insights into chemical composition, structure, and interactions. For the first time, it was thus possible to ellipsometrically identify various polymer–water and polymer–polymer interactions in temperature-sensitive polymer films and brushes as well as to quantify these on the basis of physical models. Furthermore, infrared ellipsometry was employed for studying adsorption and desorption processes of proteins at polyelectrolyte brushes. Complementary methods like visible ellipsometry and in-situ infrared microscopy shed light on additional sample properties. In particular, geometric considerations with respect to the grazing-incidence objective allow one to evaluate in-situ infrared-microscopic measurements on polymer thin films on metal substrates based upon the same optical models as used for ellipsometry. This provides additional insights into changing interactions upon changes of environmental conditions like humidity.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist die qualitative sowie quantitative Untersuchung funktionaler Polymerfilme und stimuli-responsiver Polymerbürsten mittels spektroskopischer Infrarotellipsometrie. Die Stärke dieser Messmethode ist in der Fähigkeit begründet, Molekülschwingungen organischer Dünnschichtsysteme an der Fest/Flüssig-Grenzfläche zu wässrigen Umgebungen in-situ zu vermessen und mittels optischer Schichtmodelle zu quantifizieren. Unter anderem geben diese Schwingungen Aufschluss über chemische Zusammensetzung, Struktur und Wechselwirkungen. Es ist somit erstmals möglich, verschiedene Polymer/Wasser- und Polymer/Polymer-Wechselwirkungen in temperatursensitiven Polymerfilmen und -bürsten ellipsometrisch zu identifizieren und erfolgreich, auf physikalischen Modellen basierend, zu quantifizieren. Des Weiteren wurde Infrarotellipsometrie bemüht, um Adsorptions- und Desorptionsprozesse von Proteinen an Polyelektrolytbürsten zu studieren. Komplementäre Messmethoden wie sichtbare Ellipsometrie und In-situ-Infrarotmikroskopie geben Aufschluss über zusätzliche Probeneigenschaften. Insbesondere erlauben es geometrische Überlegungen zum Streiflichtobjektiv erstmals, in-situ-infrarot-mikroskopische Messungen an Polymerdünnfilmen auf Metallen basierend auf denselben optischen Modellen auszuwerten, welche auch für Ellipsometrie genutzt werden. Dies gibt zusätzliche quantitative Einblicke in sich verändernde Wechselwirkungen bei Änderung der Umgebungsbedingungen, wie zum Beispiel Luftfeuchtigkeit.