Winzige Leuchtstäbchen: Mikrostäbe aus Lanthanoid-organischen Gerüsten als Mikro-Lichtwellenleiter
Bei der optischen Datenübertragung werden Informationen in Form von Licht über Lichtwellenleiter in Glasfasernetzen übermittelt. Chinesische Wissenschaftler haben jetzt Lichtwellenleiter im Mikromaßstab entwickelt. Wie sie in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, handelt es sich dabei um Mikrostäbchen aus Lanthanoid-Metallorganischen Gerüstverbindungen. Ihre spezielle Kristallstruktur sorgt für eine verlustarme Lichtleitung und die Emission von polarisiertem Licht.
© Wiley-VCH
Lanthanoide sind eine Gruppe von Metallen, die dank ihrer speziellen Elektronenstruktur für den Einsatz in opto-elektronischen Anwendungen attraktiv sind. Metallorganische Gerüstverbindungen (metal-organic frameworks, MOFs) auf Basis von Lanthanoiden (Ln-MOFs) bieten dabei breite Möglichkeiten, ihre Strukturen gezielt zu variieren. MOFs sind gitterartige Strukturen aus metallischen „Knotenpunkten“, die über organische Verbindungsstücke verbrückt sind.
Wohldefinierte Ln-MOFs im Mikrometermaßstab waren bisher allerdings rar gesät. Das ändert sich nun mit den neuen Ln-MOFs in Form von Mikrostäbchen, die als Mikro-Lichtleiter Einsatz finden könnten. Als organische Bausteine wählten die Forscher um Yong Sheng Zhao und Dongpeng Yan von der Beijing Normal University und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (Peking) mit Benzoltricarbonsäure (BTC) ein Molekül, das eingestrahltes UV-Licht stark absorbiert und mit dessen elektronische Energieniveaus ausgezeichnet zu Lanthanoidionen passen. In einem Selbstorganisationsprozess lagern sich unter den gewählten Synthesebedingungen BTC-Moleküle und Lantanoidionen zu kristallinen Mikrostäbchen zusammen.
Im Kristall wirken die BTC-Moleküle wie winzige „Lichtantennen“: Sie fangen Licht ein und geben es in einem strahlungslosen Energietransfer-Prozess außerordentlich effektiv an die Lanthanoidionen weiter, die die Energie als Lumineszenz wieder abstrahlen – je nach verwendetem Lanthanoid in verschiedenen Farben. So leuchten MOFs mit Terbium grün, solche mit Europium rot. Eine Dotierung der Terbium-MOFs mit 5% Europium ergab eine orange Lumineszenz.
Unter dem Mikroskop zeigen gleichmäßig mit UV-Licht bestrahlte Stäbchen sehr helle Punkte an beiden Enden, während sie sonst nur schwach leuchten. Das emittierte Lichtspektrum bleibt dabei entlang des Stäbchens konstant. Damit verhalten sich die Mikrostäbchen wie verlustarme Lichtwellenleiter. Interessant ist außerdem, dass das an den Enden emittierte Licht zirkular polarisiert und zudem ungleichmäßig über den Querschnitt des Stäbchens verteilt ist.
Ursache ist die spezielle Kristallstruktur der Mikrostäbchen, in der sich die Lanthanoidionen in Form einer helikalen Kette um eine Achse des Kristalls winden. Die Ketten sind untereinander durch Phenyl-Gruppen des BTC verbunden, die für Licht undurchdringbare Wände bilden. Insgesamt entsteht ein dreidimensionales, von quadratischen Kanälen durchzogenes Gitter.
Die neuartigen eindimensionalen Mikrostrukturen könnten dank ihrer geringen Lichtverluste und hohen Photolumineszenz-Quantenausbeute als effektive Plattform für die Entwicklung neuer Systeme aus farblich einstellbaren optischen Wellenleitern mit polarisierter Emission dienen.
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