High frequency acoustics in colloid-based meso- and nanostructures by spontaneous Brillouin light scattering [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Tim Still

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• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 31
• Langue: Deutsch
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Extrait

High frequency acoustics in colloid-based
meso- and nanostructures by spontaneous
Brillouin light scattering
Dissertation
zur Erlangung des Grades
‘Doktor der Naturwissenschaften’
(Dr. rer. nat.)
im Promotionsfach Chemie
am Fachbereich Chemie, Pharmazie und Geowissenschaften
der Johannes Gutenberg–Universit¨at Mainz
vorgelegt von
Dipl. Chem. Tim Still
geboren in Neuwied
Mainz, 2009Dievorliegende ArbeitwurdeimZeitraumvon M¨arz2007 bisSeptember
2009 am Max-Planck-Institut fu¨r Polymerforschung in Mainz unter der
Anleitung von Herrn Prof. Dr. XX XXX und Herrn Prof. Dr. X XXXX
angefertigt.
Tag der mu¨ndlichen Pru¨fung: 27.11.2009
Dekan: Prof. Dr.
Erster Berichterstatter: Prof. Dr.
Zweiter Berichterstatter: Prof. Dr.
Dritter Berichterstatter: Prof. Dr.Der Klu¨gere gibt nach! Eine traurige Wahrheit,
siebegru¨ndetdieWeltherrschaftderDummheit.
Marie von Ebner-EschenbachContents
Abstract 1
1. Introduction 3
1.1. General Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2. Aims and Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3. Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2. Basics and Brillouin Light Scattering 13
2.1. Elastic Waves in Condensed Matter . . . . . . . . . . . . 13
2.1.1. Elasticity Theory Basics . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.2. Elastic Waves in Isotropic Media . . . . . . . . . . 19
2.1.3. Spherical Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2. Light Scattering Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3. Brillouin Light Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.1. BLS Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.2. BLS Instrumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.3. Vibrational Modes of Individual Particles . . . . . 45
3. Methods 49
3.1. Vertical Lifting Deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.2. Melt Compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.3. Polymer and Colloid Characterization Techniques . . . . . 53
3.3.1. Photon Correlation Spectroscopy . . . . . . . . . . 53
3.3.2. Electron Microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.3.3. Differential Scanning Calorimetry . . . . . . . . . . 56
3.3.4. Density Gradient Column . . . . . . . . . . . . . . 56
3.3.5. Wide Angle X-ray Scattering . . . . . . . . . . . . 57
IContents
3.3.6. UV/VIS Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.3.7. Gel Permeation Chromatography . . . . . . . . . . 59
3.4. Theoretical Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.4.1. Single-Sphere Scattering-Cross-Section Calculations 61
3.4.2. The Plane Wave Method . . . . . . . . . . . . . . 64
3.4.3. The Multiple Scattering Method . . . . . . . . . . 66
3.4.4. The Finite Element Method . . . . . . . . . . . . . 71
4. The Vibrations of Individual Colloids 73
4.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2. Elastic Vibrations in Homogeneous Polymer Colloids . . . 76
4.2.1. The ‘music’ of the spheres . . . . . . . . . . . . . . 76
4.2.2. The Influence of the Neighbors: Mixtures . . . . . 84
4.2.3. The Influence of the Rigidity: Copolymers . . . . . 87
4.2.4. The Influence of the Wave Vector: Suspensions . . 97
4.3. Elastic Vibrations in Nanostructered Colloids . . . . . . . 100
4.3.1. The Influence of the Temperature:
PS-SiO Core-Shell Particles . . . . . . . . . . . . 1002
4.3.2. The Influence of the Components:
SiO -PMMA Core-Shell Particles . . . . . . . . . . 1072
4.4. Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5. Phononic Behavior of Colloidal Systems 121
5.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.1.1. The Phononic Band Diagram . . . . . . . . . . . . 124
5.1.2. The Effective Medium . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.1.3. Phononic Band Gaps . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.2. Effective Medium Velocity in Defect Doped Opals. . . . . 137
5.3. Band Gaps in Polymer Opals and Disordered Systems . . 143
5.3.1. The Influence of the Order . . . . . . . . . . . . . 143
5.3.2. The Influence of the Composition . . . . . . . . . . 153
5.4. Band Gaps in SiO Colloidal Systems . . . . . . . . . . . 1582
5.4.1. Phononic Behavior of Silica Suspensions . . . . . . 158
5.4.2. Silica–Poly(ethyl acrylate) Films (PhoXonics) . . . 163
IIContents
5.5. Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
6. Characterization of Stable Organic Glass 169
6.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
6.2. BLS experiments on IMC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6.3. Materials and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
7. Concluding Remarks 179
7.1. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
7.2. Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
Acknowledgments 185
Abbreviations 189
Appendix 195
A. scattering geometry 195
A.1. transmission case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
A.2. reflection case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Bibliography 201
III