Surface-anchored metal-organic frameworks for optical applications

Lumineszierende Materialien, auch bekannt als Leuchtstoffe, die nach optischer Anregung Licht emittieren, haben viele Anwendungen wie Beleuchtung, Displays, Marker (z.B. in der Mikroskopie) und Energieumwandlung. Traditionell konnen Leuchtstoffe in die Kategorien anorganische und organische Materialien unterteilt werden, sowie in solche, die Fluoreszenz und Phosphoreszenz emittieren. Die Definition von Phosphoreszenz impliziert im Allgemeinen, dass seine Lumineszenz eine Zerfallszeit von mehr als 1 ms aufweist, wahrend die Zerfallszeit eines fluoreszierenden Materials kurzer ist (im Falle von organischen Leuchtstoffen ist die Definition strenger: Lumineszenz ist die Emission aus einem angeregten singlet Zustand, und Phosphoreszenz ist die aus einem angeregten triplet Zustand). Daher werden in der Regel fluoreszierende Materialien fur eine effiziente Lichtemission gesucht, aber phosphoreszierende Materialien sind fur Anwendungen interessant, bei denen die Persistenz ihrer Emission von Nutzen sein kann. Anorganische Leuchtstoffe sind in der Regel kristalline Wirtsmaterialien, die mit Ubergangs- oder Seltenerdmetallen dotiert sind, um die Lumineszenz zu aktivieren. Die gebrauchlichsten Wirtsmaterialien nennen sich Garnets, mit der chemischen Formel A3B5O12, wobei A und B zwei verschiedene Elemente sind und O Sauerstoff ist. Einige Beispiele fur optisch aktive Seltene Erden sind Cerium zur Erzeugung von Weislicht, Neodym welches bereits fur Laser und Erbium das in optischen Verstarkern Verwendung findet. Zu den Vorteilen der organischen Leuchtstoffe gehoren ihre hohen Absorptionsquerschnitte und ihre grose Abstimmbarkeit. Durch die umfangreiche Kommerzialisierung organischer Leuchtdioden in den letzten Jahren, ist das Interesse an organischen Leuchtstoffen derzeit besonders hoch. Sie werden auch fur Anwendungen in der Energieumwandlung eingesetzt, wie z.B. fur lumineszierende Solarkonzentratoren. Normalerweise sind organische Leuchtstoffe amorphe Mischungen aus kleinen Molekulen und Polymeren. Dies macht es schwierig, Wechselwirkungen zwischen dem organischen Wirtsmaterial und den organischen "Aktivator"-Chromophoren zu konstruieren. Eine Moglichkeit, diese Aspekte zu kontrollieren, bestand darin, organische Chromophore in porose anorganische Wirte, wie beispielsweise Zeolithe, zu laden. In den letzten Jahren wurde jedoch eine neue Klasse von nanoporosen Hybridmaterialien, metallorganische Geruste (MOFs), synthetisiert. MOFs kombinieren die interessanten Eigenschaften von anorganischen und organischen porosen Materialien wie z.B. genau definierte und geordnete Poren sowie die Vielseitigkeit der chemischen Synthese. In dieser Arbeit wurden Methoden zum Laden von lumineszierenden Gastchromophoren in einer bestimmten Art von MOF, die in einer Dunnschichtkonfiguration auf ein Substrat aufgebracht wurden, entwickelt und untersucht. Diese Art von MOFs werden auch oberflachenverankerte metallorganische Geruste (SURMOFs) genannt. ZnBDC SURMOF, bestehend aus Zink und Bi-Carboxylatbenzol als anorganische bzw. organische Komponenten, wurde untersucht und es wurde gezeigt, dass flache Molekule zwischen den einzelnen Ebenen dieses SURMOFs eingebracht werden konnen. Die Einarbeitung der Chromophorenmolekule erfolgte durch Drop-Casting der Farbstofflosung auf den SURMOF. Die Grundparameter fur die Gastmolekulbeladung wurden mit metallisierten Porphyrinmolekulen untersucht, wodurch festgestellt wurde, dass das Vorhandensein von Carboxylgruppen ein entscheidender Faktor fur eine erfolgreiche Beladung ist. Die Farbstoffbeladung wurde mit Hilfe der Sekundarionen-Massenspektroskopie (ToF-SIMS) detailliert untersucht, welche ein Tiefenprofil der Zusammensetzungen der geladenen Proben liefert und dadurch aufzeigen konnte, dass eine gleichmasige Beladung des SURMOFs uber die gesamte Tiefe erreicht werden konnte. Der gleiche Beladungsansatz wurde auch auf 4′,4‴,4‴,4‴″,4‴‴″-(Ethen-1,1,2,2-tetrayl)tetrakis-(([1,1′-biphenyl]-3-carbonsaure)) angewendet. (H4ETTC), einen aggregierungsinduzierten Emissionsfarbstoff (AIE), der aufgrund der Einschrankung der Molekularbewegung eine erhohte Emission aufweist, wenn er in das SURMOF-Gerust eingebaut wird. Eine Erhohung der Menge an benutzter Drop-Cast-Losung ist mit einer Zunahme der Farbstoffdichte im SURMOF und einer verbesserten Emissionseffizienz verbunden. In dieser Arbeit wurde H4ETTC geladenes SURMOF aus einer anwendungsorientierten Perspektive untersucht, wobei die Tintenstrahldrucktechnik mit der AIE-Beladung eines SURMOFs kombiniert wurde und als erster Schritt zur Etablierung eines Displays basierend auf SURMOFs mit einer Grose von bis zu 70 µm dient. Eine weitere Anwendung, die untersucht wurde, ist ein auf SURMOFs basierender lumineszierender Sonnenkonzentrator, bei dem SURMOFs auf einer grosen Flache (25 cm2) abgeschieden und mit grost moglicher Dichte mit einem Farbstoff beladen wurden, um eine hohe Absorption und eine hohe Emissionseffizienz zu erreichen. Die Leistung des Gerats wurde untersucht, indem eine Solarzelle an einer Kante angebracht und der Gesamtwirkungsgrad des Systems berechnet wurde. Das System zeigte einen geringeren Wirkungsgrad im Vergleich zu einem Standard-Bulk-LSC. Obwohl die Ergebnisse dieser Arbeit einen Fortschritt in den SURMOF-Anwendungen darstellen, mussen zukunftige Verbesserungen erreicht werden. AIE-Molekule mit dem gleichen Kern des H4ETTC-Farbstoffs konnen eine breitere Absorption und eine rotverschobene Emission bewirken, um verschiedene Displayfarben zu erhalten.