高屈折率高分子
高屈折率ナノコンポジットを設計する際は、ナノ粒子の導入量を制御することが重要である。なぜなら、過剰にナノ粒子を導入すると光損失が増える上に、ナノコンポジットの加工性が損なわれるからである。ナノ粒子を選択する時は、それらの粒子径と表面特性を考慮する必要がある。ナノコンポジットの透明性を確保し、レイリー散乱を低減するためには、ナノ粒子の粒径が25 nm以下であることが望ましい。また、ナノ粒子と高分子マトリックスを直接混合するとナノ粒子の凝集が起こりやすいため、ナノ粒子の表面を改質することが一般に行われる。
高屈折率ナノコンポジットに導入されるナノ粒子は、TiO2(アナターゼ型,n=2.45;ルチル型,n=2.70),ZrO2(n=2.10),アモルファスシリコン(n=4.23),PbS(n=4.20),ZnS(n=2.36)等である。また、高分子マトリックスは屈折率の高いポリイミドがよく利用される。このナノコンポジットは1.57—1.99の範囲で屈折率を調整することができる。
高分子の高屈折率化には、硫黄含有置換基(チオエーテル,スルホン,チオフェン,チアジアゾール,チアントレン等)がよく用いられる。硫黄原子豊富なチアントレンやテトラチアアントラセン部位を有する高分子は、分子の充填が密なこともあり、1.72を超える屈折率が報告されている。
ハロゲン元素(特に臭素とヨウ素)は高屈折率高分子の開発初期に使われた高屈折率置換基である。1992年にGaudianaらは臭素化、あるいはヨウ素化されたカルバゾール環を有するポリメチルメタクリレートを報告している。それらの高分子は、ハロゲンの種類や置換数によって異なるが、1.67—1.77の屈折率を有している。しかし近年、ハロゲン元素のマイクロエレクトロニクス分野での使用は、環境汚染防止のためEUのWEEE指令やRoHS指令によって厳しく制限されている。
リン原子含有基(ホスホネートやホスファゼン等)は高分子屈折であり、可視光領域での透明性に優れている 。 ポリホスホネートはポリカーボネートの類縁体であるにもかかわらず、リン含有部位を持つため高屈折率を示す。高屈折率に加えて、ポリホスホネートは良好な耐熱性と透明性を有するため、溶融成型でプラスティックレンズを製造するのに適している。
有機金属部位を有する高分子は高屈折率で比較的分散が小さい特徴がある。ポリフェロセニルシランや、リン含有スペーサーとフェニル側鎖を有するポリフェロセンは非常に高い屈折率を示す(n=1.74,n=1.72) 。これらの高分子は有機高分子と無機ガラスの中間程度の分散を示すため、全高分子型フォトニック素子の材料として期待される。
典型的な高分子の屈折率は1.30 - 1.70であるが、より高屈折率な材料が様々な用途で求められている。高分子の屈折率は置換基の分子屈折と、モノマーの構造および分子量に関係している。高屈折率化には一般に、高い分子屈折と低いモル体積を有する構造が有利である。