KIT erschafft Huckepack-SURMOF So wird grünes Licht blau

Photonen-Hochkonversion: So wird aus grünem Licht blaues Licht.
Photonen-Hochkonversion: So wird aus grünem Licht blaues Licht.

Am KIT haben Forscher erstmal grünes Licht in blaues Licht umgewandelt. Damit zeigen sie, dass innere Grenzflächen zwischen oberflächengebundenen metallorganischen Gerüstverbindungen für die Hochkonversion von Photonen geeignet sind. Auf diese Weise kann Licht effizienter genutzt werden.

Heutige Solarzellen sind in ihrem Wirkungsgrad unter anderem dadurch begrenzt, dass sie nur Photonen mit einer bestimmten Mindestenergie zur Stromerzeugung nutzen können. Doch die Hochkonversion von Photonen ermöglichte es, Licht effizienter zu nutzen. Sie basiert auf der sogenannten Triplett-Triplett-Annihilierung. Dabei sind zwei Moleküle involviert: ein Sensibilisatormolekül, das Photonen absorbiert und Triplett-Anregungszustände erzeugt, und ein Emitter-Molekül, das diese Triplett-Anregungszustände übernimmt und über Triplett-Triplett-Annihilierung ein Photon aussendet, das energiereicher ist als die ursprünglich absorbierten Photonen. Einfacher ausgedrückt werden zwei Lichtteilchen mit wenig Energie in ein Lichtteilchen mit viel Energie umgewandelt. Laut Bryce Richard, Leiter des Instituts für Mikrostrukturtechnik (IMT) des Karlsruher Insituts für Technologie (KIT) wird auf diese Weise aus grünem Licht blaues Licht, das kurzwelliger und energiereicher ist. Dr. Ian Howard, Nachwuchsgruppenleiter IMT erläutert: »Wir haben die Sensibilisator- und Emitterschichten so aufeinander abgestimmt, dass wir eine niedrige Konversionsschwelle und zugleich eine hohe Lichtausbeute erreicht haben«.

Da der Triplett-Transfer auf einem Austausch von Elektronen beruht, schließt der gezeigte Prozess der Photonen-Hochkonversion einen Elektronentransfer über die Grenzschicht zwischen den beiden SURMOFs (Surface Mounted Metal Organic Frameworks) ein. Das legt nahe, dass sich SURMOF-SURMOF-Heteroübergänge für viele optoelektronische Anwendungen eignen – wie Leuchtdioden und Solarzellen. In vielen optoelektronischen Bauteilen kontrolliert ein sogenannter Heteroübergang – eine Grenzschicht zwischen zwei unterschiedlichen Halbleitermaterialien – den Energietransfer zwischen den verschiedenen Anregungszuständen. »Die SURMOFs vereinen Vorteile organischer und anorganischer Halbleiter«, erklärt Christof Wöll, der Leiter des IFG. »Sie verbinden chemische Vielfalt und Kristallinität und ermöglichen den Aufbau geordneter Heterostrukturen.«

Metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs – Metal Organic-Frameworks) sind hochgeordnete molekulare Systeme aus metallischen Knotenpunkten und organischen Streben. Am Institut für Funktionelle Grenzflächen (IFG) des KIT haben Forscher MOFs entwickelt, die schichtweise auf der Oberfläche von Substraten wachsen. Diese SURMOFs lassen sich aus vielfältigen Materialien herstellen und mit verschiedenen Porengrößen und chemischen Funktionen für zahlreiche Anwendungen maßschneidern – zum Beispiel für Sensoren, Katalysatoren, Membranen, in der Medizintechnik oder als intelligente Speicher.

Forscher des IMT haben nun einen neuen Huckepack-SURMOF geschaffen, indem sie einen zweiten SURMOF auf einem ersten schichtweise aufwachsen lassen. An diesem Heteroübergang gelang es, eine Photonen-Hochkonversion zur erreichen. Ihre Arbeit stellen die Wissenschaftler in »Advanced Materials« vor, einer Zeitschriften zur Materialforschung.