Surface-anchored metal-organic frameworks for optical applications
Creators: name: Baroni, Nicolò
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2020
Subjects: Surface-anchored metal-organic frameworks
SURMOF
Aggregation-induced emission dye
dye loading
ink-jet printing
Optical characterization
Luminescent solar concentrator

description: 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 können 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, während die Zerfallszeit eines fluoreszierenden Materials kürzer 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 für eine effiziente Lichtemission gesucht, aber phosphoreszierende Materialien sind für Anwendungen interessant, bei denen die Persistenz ihrer Emission von Nutzen sein kann. Anorganische Leuchtstoffe sind in der Regel kristalline Wirtsmaterialien, die mit Übergangs- oder Seltenerdmetallen dotiert sind, um die Lumineszenz zu aktivieren. Die gebräuchlichsten Wirtsmaterialien nennen sich Garnets, mit der chemischen Formel A3B5O12, wobei A und B zwei verschiedene Elemente sind und O Sauerstoff ist. Einige Beispiele für optisch aktive Seltene Erden sind Cerium zur Erzeugung von Weißlicht, Neodym welches bereits für Laser und Erbium das in optischen Verstärkern Verwendung findet. Zu den Vorteilen der organischen Leuchtstoffe gehören ihre hohen Absorptionsquerschnitte und ihre große Abstimmbarkeit. Durch die umfangreiche Kommerzialisierung organischer Leuchtdioden in den letzten Jahren, ist das Interesse an organischen Leuchtstoffen derzeit besonders hoch. Sie werden auch für Anwendungen in der Energieumwandlung eingesetzt, wie z.B. für lumineszierende Solarkonzentratoren. Normalerweise sind organische Leuchtstoffe amorphe Mischungen aus kleinen Molekülen und Polymeren. Dies macht es schwierig, Wechselwirkungen zwischen dem organischen Wirtsmaterial und den organischen "Aktivator"-Chromophoren zu konstruieren. Eine Möglichkeit, diese Aspekte zu kontrollieren, bestand darin, organische Chromophore in poröse anorganische Wirte, wie beispielsweise Zeolithe, zu laden. In den letzten Jahren wurde jedoch eine neue Klasse von nanoporösen Hybridmaterialien, metallorganische Gerüste (MOFs), synthetisiert. MOFs kombinieren die interessanten Eigenschaften von anorganischen und organischen porösen 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 Dünnschichtkonfiguration auf ein Substrat aufgebracht wurden, entwickelt und untersucht. Diese Art von MOFs werden auch oberflächenverankerte metallorganische Gerüste (SURMOFs) genannt. ZnBDC SURMOF, bestehend aus Zink und Bi-Carboxylatbenzol als anorganische bzw. organische Komponenten, wurde untersucht und es wurde gezeigt, dass flache Moleküle zwischen den einzelnen Ebenen dieses SURMOFs eingebracht werden können. Die Einarbeitung der Chromophorenmoleküle erfolgte durch Drop-Casting der Farbstofflösung auf den SURMOF. Die Grundparameter für die Gastmolekülbeladung wurden mit metallisierten Porphyrinmolekülen untersucht, wodurch festgestellt wurde, dass das Vorhandensein von Carboxylgruppen ein entscheidender Faktor für eine erfolgreiche Beladung ist. Die Farbstoffbeladung wurde mit Hilfe der Sekundärionen-Massenspektroskopie (ToF-SIMS) detailliert untersucht, welche ein Tiefenprofil der Zusammensetzungen der geladenen Proben liefert und dadurch aufzeigen konnte, dass eine gleichmäßige Beladung des SURMOFs über 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-carbonsäure)) angewendet. (H4ETTC), einen aggregierungsinduzierten Emissionsfarbstoff (AIE), der aufgrund der Einschränkung der Molekularbewegung eine erhöhte Emission aufweist, wenn er in das SURMOF-Gerüst eingebaut wird. Eine Erhöhung der Menge an benutzter Drop-Cast-Lösung 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 Größe von bis zu 70 µm dient. Eine weitere Anwendung, die untersucht wurde, ist ein auf SURMOFs basierender lumineszierender Sonnenkonzentrator, bei dem SURMOFs auf einer großen Fläche (25 cm2) abgeschieden und mit größt möglicher Dichte mit einem Farbstoff beladen wurden, um eine hohe Absorption und eine hohe Emissionseffizienz zu erreichen. Die Leistung des Geräts 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, müssen zukünftige Verbesserungen erreicht werden. AIE-Moleküle mit dem gleichen Kern des H4ETTC-Farbstoffs können eine breitere Absorption und eine rotverschobene Emission bewirken, um verschiedene Displayfarben zu erhalten.