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Projekt
NLO und opto-optisches Schalten von Gast-beladenen SURMOF-Schichten: Optische Effekte zweiter Ordnung
Antragsteller
Professor Dr. Jürgen Caro; Privatdozent Dr. Frank Marlow
Fachliche Zuordnung
Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
Förderung
Förderung von 2016 bis 2021
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316710032
Während der letzten Monate haben wir eine Vielzahl von SURMOF-basierten Wirt-Gast-Kompositen präpariert und bezüglich ihrer nichtlinear optischen Eigenschaften ausgeprüft. Unterschiedliche optisch aktive organische Gastmoleküle (Farbstoffe) wurden durch unterschiedliche Beladungsmethoden in unterschiedliche SURMOF-Strukturen (mit 1D und 3D Porensystem) auf unterschiedlichen Trägern (FTO, ITO, Si-Wafer) präpariert. Da unsere etablierten Präparationen, um SURMOF-Schichten abzuscheiden (solvothermal, Sprühen, Tauchen, Grenzschicht), vorerst keine das Licht nicht streuende Schichten ergaben, entwickelten wir die „controlled injection technique“ für optisch transparente Schichten mit einer Dicke < 1 µm. Nach Beladung der SURMOF-Schicht mit optisch aktiven Gästen wurde die nichtlineare optische Suszeptibilität zweiter Ordnung, chi(2), über den Pockels-Effekt gemessen. Die Materialkonstante chi(2) ist verantwortlich für solche NLO-Effekte wie Second Harmonic Generation (SHG), Sum Frequency Generation (SFG) und Difference Frequency Generation (DFG). Überraschenderweise fanden wir sehr hohe chi(2)-Werte. Der höchste chi(2)-Wert von 337 pm/V wurde für p-Nitroanilin (pNA) in den 1D Poren einer sub-µm Cu-MOF-74 SURMOF-Schicht auf FTO-Glas gemessen. So hohe ch(2)-Werte sind bislang unbekannt; experimentell und theoretisch erklärt wurden lediglich chi(2)-Werte, die eine GO kleiner sind. Sehr wahrscheinlich können diese riesigen chi(2)-Werte nur durch einen spezifischen Adsorptionsmechanismus der pNA-Moleküle durch die 1D-Pore von Cu-MOF-74 erklärt werden: Jedes pNA-Moleküle tritt in die Poren in einer bestimmten Richtung ein (entweder mit der Nitro- oder der Amino-Gruppe zuerst) und bildet in der 1D-Pore eine stabile Dipolkette. Eine theoretische Abschätzung zeigt allerdings, dass der maximal mögliche chi(2)-Wert für perfekt parallel ausgerichtete pNA-Dipolketten in der Cu-MOF-74 SURMOF-Schicht etwa eine Größenordnung unter dem gemessenen Wert liegt. Dies heißt: Die Erklärung der sehr hohen chi(2)-Werte bedarf noch weiterer Mechanismen wie z.B. der Ausbildung von perfekten H-Brücken in der pNA-Kette oder der Ausbildung eines zur pNA-Kette entgegengesetzten Dipolfeldes in der SURMOF-Struktur. Das Ziel des Projektes besteht darin, die Bildung orientierter paralleler Dipolketten in den 1D-Poren von SURMOFs durch Adsorption von optisch aktiven Molekülen aus der Gasphase zu verstehen und darauf aufbauend Nanocomposite mit hohem chi(2) zu entwickeln. Es soll eine Tool-Box für SURMOF-Nanocomposite mit hohem chi(2) entwickelt werden durch Kombination geeigneter Unterlagen (FTO, ITO, Si-Wafer), der MOF-Strukturen, der Präparationstechniken, und der Beladung (Gas-, Flüssigphase). Die SURMOF-Schichten mit hohem chi(2) werden bezüglich ihrer NLO-Eigenschaften ausgeprüft durch Messen des (i) Pockels-Effektes, (ii) des Kerr-Effektes, und (iii) durch opto-optisches Schalten.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
Internationaler Bezug
China
Kooperationspartner
Dr. Haihui Wang
