19.02.2010

Designte Farbstoffe für optische Schalter

Optische Eigenschaften von Molekülen lassen sich durch angedockte Selenatome kontrollieren.

Optische Eigenschaften von Molekülen lassen sich durch angedockte Selenatome kontrollieren.

Bis zu optischen Prozessoren, die Daten mit Lichtteilchen viel schneller als mit Elektronen verarbeiten, ist es noch ein weiter Weg. Doch immer mehr photonische Kristalle und Lichtleiter, die sich zum Aufbau von logischen Schaltkreisen eignen können, werden derzeit entwickelt. Einen weiteren Fortschritt vermelden nun Wissenschaftler vom Georgia Institute of Technology in Atlanta. Sie konnten Farbstoffmoleküle so maßschneidern, dass sie das zum Schalten notwendige nichtlineare Verhalten bei bemerkenswert geringen Strahlungsverlusten aufwiesen.

„Alle optischen Schalter benötigen Materialien mit großen Nichtlinearitäten in der dritten Ordnung und geringe optische Verluste“, berichten Seth Marder und seine Kollegen von der School of Chemistry and Biochemistry and Center for Organic Photonics and Electronics. Die gewünschten Farbstoffe sollen dabei ein Photon mit einer anderen Wellenlänge aussenden als zur optischen Anregung zuvor genutzt wurde. Strahlungsverluste durch Lichtstreuung, Absorption oder unerwünschte Zwei-Photonen-Prozesse sollen dabei möglichst vermieden werden. Genau mit diesen Eigenschaften sollen die datentragenden Lichtteilchen ihre Information zwischen zwei getrennten optischen Schaltkreise übertragen können.


 

Abb.: Orbitalmodell der Polymethin-Farbstoffe, die sich durch ihr nichtlineares Verhalten und geringe Streuverluste auszeichnen. (J.M. Hales et al., Science)

Die Forscher fokussierten ihren Blick auf Moleküle, die Photonen im Wellenlängenbereich rundum 1300 und 1550 Nanometer emittieren können. Denn dieser Infrarotsektor wird bereits weltweit für die optischen Datenübertragung in Glasfasern genutzt. Ihre Wahl fiel daher auf Polymethin-Farbstoffe. Das optische Anregungsverhalten dieser langkettigen, organischen Moleküle konnten sie beispielsweise über zusätzliche Butylphenyl-Seitengruppen, Pyrylium-Ringe und eingebundene Selenatome gezielt verändern. Mit quantenchemischen Berechnungen grenzten sie zuvor die Möglichkeiten für dieses Moleküldesign ab.

Das Absorptions, Emissions- und Streuverhalten der synthetisierten Moleküle analysierten sie durch die Laseranregung der verschiedenen Farbstoffe in einer Chloroform-Lösung. Ein Molekül mit sieben Methin-Einheiten und eingebautem Selenatom (Se-7C) zeigte nach einer Anregung mit 1300-Nanometer Femtosekunden-Pulsen die gewünschten, geringen Streuverluste. Dabei lag das Emissionsmaximum bei 1081 Nanometern. Bei kürzeren Molekülen (Se-5C, Se-3C) mit weniger Methingruppen verschob sich das Emissionsmaximum zu kürzeren Wellenlängen (946 nm, 750 nm).

Diese Ergebnisse belegen, dass sich aus speziell veränderten Polymethin-Molekülen Farbstoffe mit einem nichtlinearen Verhalten, geringen Verlusten und Photonen-Emission im nahen Infrarotbereich synthetisieren lassen. Für technische Anwendungen in der optischen Datenverarbeitung müssen diese Farbstoffe allerdings noch in hoher Dichte und mit einer höheren photochemischen Stabilität hergestellt werden. Doch auch diese Hürden hält das Team um Seth für überwindbar.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos

Weiterführende Literatur:

  • J. M. Hales, J. W. Perry: in Introduction to Organic Electronic and Optoelectronic Materials and Devices, S.- S. Sun, L. Dalton, Eds. (CRC Press, Orlando, FL, 2008), pp. 521–579.

KP

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