All-optical switching based on the Photoalignment of Azobenzene inside the pores of HKUST-1 Metal-Organic Framework Thin Films
Opto-optische Schalter bieten einen vielversprechenden Ansatz, um die steigenden Energiekosten in der Informationstechnologie zu senken. Eine innovative Möglichkeit zur Realisierung solcher Schalter ist die Kombination photoaktiver Gastmoleküle mit porösen Wirtsmaterialien. In dieser Arbeit wird das gut erforschte Azobenzol, das unter Lichteinstrahlung zwischen seinen trans- und cis-Isomeren geschaltet werden kann, mit der aufstrebenden Materialklasse der Metall-Organischen Gerüstverbindungen (Metal-Organic Frameworks, MOFs) kombiniert. Dabei wird das Schalten nicht wie üblich durch Photoisomerisierung, sondern durch das seltene Phänomen der Photoausrichtung realisiert. Dieser Ansatz nutzt die Orientierung des Übergangsdipolmoments entlang der langen Achse des trans-Azobenzols, welche durch linear polarisiertes Licht auf der Basis statistischer Effekte gezielt ausgerichtet werden. Die Motivation, der wissenschaftliche Hintergrund und die Zielsetzungen der Arbeit werden in Kapitel 2 ausführlich erläutert. Kapitel 3 bietet einen Überblick über den aktuellen Stand der Forschung zu Azobenzol und MOFs. Die Methodik zur Synthese von HKUST-1, der Beladung mit Azobenzol und der Charakterisierung der Proben wird in Kapitel 4 detailliert beschrieben. Anschließend werden in Kapitel 5 HKUST-1-Filme analysiert, verschiedene Synthesebedingungen verglichen und ein modifiziertes Synthesemodell vorgestellt. Kapitel 6 widmet sich der Beladung von Dünnschichten mit Azobenzol, wobei die Ergebnisse durch Referenzexperimente mit HKUST-1-Pulvern und Kraftfeldrechnungen vertieft werden. Kapitel 7 analysiert schließlich die Photoisomerisierung und -ausrichtung unter verschiedenen Bedingungen, ergänzt durch Kinetikaufnahmen, um ein tieferes Verständnis dieser Prozesse zu ermöglichen. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern fundamentale Einblicke in die Entwicklung opto-optischer Schaltsysteme auf Basis photoaktiver Gastmoleküle in MOF-Poren. Der vorgestellte Ansatz der molekularen Ausrichtung von Azobenzol adressiert und überwindet einige der inhärenten Herausforderungen herkömmlicher Schalter, die auf Photoisomerisierung beruhen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Gestaltung energieeffizienter opto-optischer Schalter, insbesondere im Hinblick auf die Messstabilität und Langzeitstabilität der generierten Zustände. Zukünftige Forschungen könnten sich darauf konzentrieren, die molekulare Anisotropie weiter zu optimieren und die Systemstabilität unter praxisnahen Bedingungen zu verbessern.
Opto-optical switches offer a promising approach to reducing the rising energy costs in information technology. One innovative method for realizing such switches is the combination of photoactive guest molecules with porous host materials. In this work, the well-studied azobenzene, which can switch between its trans and cis isomers under light irradiation, is combined with the emerging material class of metal-organic frameworks (MOFs). The switching mechanism is not based on the usual photoisomerisation but rather on the rare phenomenon of photoalignment. This novel approach utilizes the orientation of the transition dipole moment along the long axis of trans-azobenzene, which can be selectively aligned using linearly polarized light based on statistical effects. The motivation, scientific background, and objectives of this work are discussed in detail in Chapter 2. Chapter 3 provides an overview of the current state of research on azobenzene and MOFs. The methodology for synthesizing HKUST-1, loading it with azobenzene, and characterizing the samples is comprehensively described in Chapter 4. In Chapter 5, HKUST‑1 films are analysed, different synthesis conditions are compared, and a modified synthesis model is proposed. Chapter 6 focuses on loading thin films with azobenzene, with the results further supported by reference experiments using HKUST-1 powders and force field calculations. Finally, Chapter 7 examines photoisomerisation and photoalignment under various conditions, complemented by kinetic studies to provide a deeper understanding of these processes. The findings of this work provide fundamental insights into the development of opto-optical switching systems based on photoactive guest molecules in MOF pores. The presented approach of molecular alignment of azobenzene addresses and overcomes some inherent challenges of conventional switches based on photoisomerization. This opens up new possibilities for designing energy-efficient opto-optical switches, particularly with regard to measurement stability and long-term stability of the generated states. Future research could focus on further optimizing molecular anisotropy and improving system stability under practical conditions.
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