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News: Mehr Dendrimer ist mehr

Polymere und andere organische Materialien sind immer häufiger Bestandteile optischer und optoelektrischer Geräte. Ihr Potenzial ist dabei noch nicht ausgeschöpft, denn einige dieser Werkstoffe eignen sich auch für Laser-Anwendungen. Dies demonstrierten Wissenschaftler jetzt an einem Wirt-Gast-System aus einem dendritischen Polymer und einem Farbstoff-Molekül. Das Dendrimer macht den Farbstoff zu einem Laser mit niedrigen Linienbreiten.
Dendrimer
Dendrimere sind große Moleküle mit einem Zentrum, von dem mehrere Ketten ausgehen und sich wie Äste an Bäumen verzweigen. Ihre kugelähnliche Form und die funktionellen Gruppen an den Enden geben den Dendrimeren Eigenschaften, die sich gut steuern lassen und die Stoffe für verschiedenartige Anwendungen interessant machen. Ein solches Makromolekül nutzten Shiyoshi Yokoyama und seine Mitarbeiter am Communications Research Laboratory in Kobe als Wirt für DCM, einen laseraktiven Farbstoff.

Organische Laserfarbstoffe haben generell eine hohe Quantenausbeute und senden Licht im sichtbaren Bereich des Spektrums aus. So auch DCM, das vom Dendrimer eingebettet wird und mit ihm ein Wirt-Gast-System bildet. In dieser Form ist es wesentlich besser löslich als alleine. So konnten die Wissenschaftler neun Millimol des Komplexes in einem Liter Methanol lösen gegenüber nur einem Millimol der Reinsubstanz.

Die Forscher füllten eine Küvette mit der Lösung, die sie mit UV-Licht bestrahlten und so zur Fluoreszenz anregten. Dabei zeigte sich, dass der Farbstoff exponentiell mehr Licht emittiert, wenn die Anregungsintensität erhöht wird. Gleichzeitig verringern sich die Linienbreiten um zwei Größenordnungen auf weniger als 0,1 Nanometer, und das Emissionsspektrum kollabiert zu mehreren Linien. All dies sind Zeichen einer einsetzenden Laseraktivität. Wie sich herausstellte, ist dafür die Anwesenheit des Dendrimers erforderlich, denn eine reine DCM-Lösung zeigt dieses Verhalten nicht.

Wie erreicht man nun eine möglichst hohe Laseraktivität? Das Motto "Viel hilft viel" greift normalerweise nur zum Teil: Zwar absorbieren mehr Moleküle auch einen größeren Teil des eingestrahlten UV-Lichts. Ist die Farbstoffkonzentration aber zu hoch, so tauschen die Moleküle die Lichtenergie untereinander aus, anstatt sie für die Fluoreszenz zu nutzen. In der Folge nimmt die Laseraktivität ab. Die beiden Effekte sind gegenläufig, und von ihrer Größe hängt es ab, wie hoch die Schwelle für die Laseraktivität ist.

Im hier untersuchten Bereich von zwei bis neun Millimol DCM zusammen mit dem Dendrimer sinkt die Schwelle kontinuierlich, sodass man getrost die höchste Konzentration wählen kann. In Verbindung mit der geringen Linienbreite rücken mehrere Anwendungen in den Bereich des Möglichen: Photonische Kristalle, Wellenleiter und Nanobauteile für spiegellose optische Baugruppen.

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