AK Prof. Dr. H. Langhals

 FLUORESCENCE OF S-13

Leistungs-Fluoreszenzfarbstoffe – Schaltelemente für Licht

Leistungs-Halbleiter sind jedermann bekannt – sie sind das Herzstück der Elektronik und gewinnen immer mehr Raum, auch in der Elektrotechnik. Was aber sind Leistungs-Fluoreszenzfarbstoffe? – Sie sind das Gegenstück zu den Leistungs-Halbleitern.

Bei Schalt- und Informationsverarbeitungsprozessen dominieren zur Zeit Systeme auf der Basis der Elektrizität; das prominenteste Beispiel ist die hoch entwickelte Computer-Technologie. So attraktiv solche Systeme auch sind, so erkennt man bald ihre Grenzen, wenn man sehr hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten und Integrationsdichten erreichen will; in den 10 000 MHz-Bereich vorzustoßen, ist für PC-Computer kaum zu erreichen, und für eine konventionelle Zeichnung des Schaltplans eines modernen Mikroprozessors benötigt man mehr als den Platz eines Fußballfeldes. Zudem verhalten sich bei kleiner werdenden Abmessungen die elektrischen Verbindungen immer weniger wie Drähte. Der Begriff des Elektrosmogs, der bei weiter verkleinerten Abmessungen und höheren Bearbeitungsgeschwindigkeiten immer gravierender wird, vermittelt uns einen Eindruck der auf uns zukommenden Probleme, wenn wir zu wesentlich höheren Integrationsdichten und Verarbeitungsgeschwindigkeiten vorstoßen wollen. – Diese Probleme machen deutlich, dass eine völlig neue Technologie dringend benötigt wird.

Eine Alternative zur Elektronik bietet die Photonik, in der Elektrizität durch Licht ersetzt wird. Man kann prinzipiell problemlos Frequenzen von 500 Terahertz (5·1014 Hz; „Terahertz-Technologie“) erreichen, und damit Geräte bauen, die eine halbe Million fach schneller als unsere schnellsten PC's heute sind. Darüber hinaus können Lichtstrahlen sich kreuzen, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen. Man braucht damit die Leitungen nicht mehr „um die Ecke“ zu bauen, und die Vorteile für eine höhere Integrationsdichte sind offensichtlich.

Für diese attraktive, neue Photonik-Technologie („Licht-Technologie“) braucht man leistungsfähige Schaltelemente und Speicher, in diesem Fall Strukturen, die Licht aufnehmen und verarbeiten können, möglichst auf molekularer Basis, um eine möglichst hohe Integrationsdichte erreichen zu können. Molekulare Strukturen, die Licht aufnehmen können, sind Farbstoffe. Da die aufgenommene Lichtenergie aber nicht verloren gehen sollte, braucht man spezielle Farbstoffe, die in der Lage sind, sie zu speichern. Diese Aufgabe erfüllen Fluoreszenzfarbstoffe, die die aufgenommene Energie nach einer Zwischenspeicherung wieder abgeben. Ein Maß für die Qualität solcher Farbstoffe ist die FluoreszenzquantenausbeuteF, die prozentual angibt, wie viel von dem gespeicherten Licht wieder abgegeben werden kann. Bei hochwertigen Fluoreszenzfarbstoffen, wie z.B. S-13, erreicht dieses Qualitätsmaß 100%.

Ein anderes wichtiges Qualitätsmaß ist die Photostabilität (Lichtechtheit) der Fluoreszenzfarbstoffe. Diese entspricht den erreichbaren Schaltzyklen von elektrischen Schaltern (z.B. Relais). Hochwertige Fluoreszenzfarbstoffe sollten mindestens 100 Millionen mal Licht aufnehmen und verarbeiten können. Bei dem hochwertigen Fluoreszenzfarbstoff S-13 konnte bisher keinerlei Photoabbau nachgewiesen werden; es gelang bisher nur ein chemischer Abbau (der natürlich auch durch Licht induziert werden kann).

Ein drittes wichtiges Qualitätsmaß ist das Lichtabsorptionsvermögen des Farbstoffs, das durch den Absorptionskoeffizienten e charakterisiert wird. Bei der überwiegenden Zahl der Textilfarbstoffe bewegt sich dieser Wert um 30 000, es sind aber Beispiele bekannt, bei denen 100 000 übertroffen wird. Bei dem hoch lichtechten Farbstoff S-13 wird ein Wert von 87 000 erzielt.

Bei der Entwicklung der Photonik sollte man langfristig versuchen, alle Komponenten auf Licht-Basis zu entwickeln, um eine homogene Technologie zu erreichen. Die Elektronik sollte bei Bedarf höchstens über eine Schnittstelle angekoppelt werden. Für eine solche homogene Photonik benötigt man neben Speicher und Verarbeitungselementen auch Detektoren, Frequenzumsetzer, Schnittstellenelemente u.s.w. - Hierfür soll zur Zeit die molekulare Basis durch die Synthese von hoch lichtechten Fluoreszenzfarbstoffen, die Untersuchung ihrer Eigenschaften und das Studium des Zusammenspiels mehrer chromophorer Einheiten geschaffen werden. Ein Spinoff dieser Arbeiten ist die Entwicklung neuer Eichnormalien für die Fluoreszenzspektroskopie, neuer Laserfarbstoffe, neuer Membrandetektoren und neuer Farbstoffe für das nahe Infrarot; das letztere hat für die Medizin und die Halbleitertechnologie eine besondere Bedeutung.


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