Forschung

Leucht-Stäbchen mit Streifenmuster

09.08.2019 - Hetero-Kristalle eröffnen neue Möglichkeiten für integrierte optische Schaltkreise.

Immer schneller und kleiner sollen elektronische Geräte werden – und dabei immer größere Datenmengen bewältigen. Neue Dimensionen könnten optische Quantenrechner eröffnen, die mit Licht als Informationsträger arbeiten. Dazu sind Materialien notwendig, die Photonen aufnehmen und weiterleiten können. Nun stellen chinesische Wissenschaftler eine neue Strategie für die gezielte Konstruktion photonischer Hetero-Kristalle mit justierbaren Eigenschaften vor. Auf Basis eines Kristall-Stäbchens mit verschiedenfarbig fluoreszierenden Streifen entwarfen sie ein Beispiel für eine logische Schaltung.
 

Erfolgsgeheimnis des Teams um Ze Chang und Xian-He Bu sind gezielt konstruierte metallorganische Gerüstverbindungen (metal-organic frameworks, MOFs), gitterartige Strukturen aus metallischen „Knotenpunkten“, die über organische Liganden verbrückt sind und in ihren käfigartigen Hohlräumen andere Moleküle als „Gäste“ einschließen können, wenn diese während der Kristallisation zugegeben werden. Die Gäste und ein Teil der in das Gitter integrierten Liganden sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass die Gäste Elektronen auf diese Liganden-Moleküle übertragen. Solche Systeme neigen zum Fluoreszieren. Die Farbe der Fluoreszenz hängt bei gegebenem MOF von der Art der Gastspezies ab.

Ein weiterer Vorteil der MOF-Strukturen: Die Kristallisation erfolgt durch schichtweises Aufwachsen auf einen Kristallisationskeim in einer Vorzugsrichtung. So ließen sich unter anderem stäbchenförmige Kristalle herstellen. Während der Kristallisation wechselten die Forscher von der Nankai-Universität in Tianjin, dem Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering, Tianjin, und dem Institut für Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Beijing (China) die Art der zugegebenen Gast-Moleküle. So entstanden „gestreifte“ Stäbchen mit separaten Domänen, die unterschiedlich fluoreszieren. Beispielsweise stellten sie Stäbchen her, deren beide Endstücke im UV-Licht absorbieren und blaugrün fluoreszieren, während das Mittelstück im grünen Bereich absorbiert und rotes Licht emittiert. 

Aufgrund ihres direkten Kontakts kann eine Energieübertragung zwischen den Domänen stattfinden: Ein Teil der blaugrünen Photonen kann auf das Mittelstück weitergereicht werden und hier eine rote Fluoreszenz erzeugen. Der Clou: die Stäbchen verhalten sich wie Lichtleiter, das heißt, egal, an welcher Stelle sie angestrahlt werden, ein Teil des Fluoreszenz-Lichts wird durch das gesamte Stäbchen bis an dessen Spitzen transportiert.

Auf dieser Basis eines solchen Stäbchens entwarfen die Forscher den Prototyp für eine logische Schaltung mit zwei „Eingängen“ und zwei „Ausgängen“, das heißt Stellen, an denen Licht eingespeist bzw. in Form roter und/oder blaugrüner Signale registriert werden kann. Die Forscher sehen potenzielle Anwendungen ihrer MOF-Kristalle in Bauteilen mit integrierten optischen Schaltkreisen, wie photonischen Dioden, On-chip-Signalverarbeitung und optischen Logikgattern.

Wiley-VCH / DE
 

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