Durchlässigkeit von Lichtstrahlen in Sekundenschnelle verändern

Auf dem Bild zu sehen ist das neue Bauteil, eine elektrochrome Iris. Es weist drei Blendenstufen auf. Im Bild ist davon nur die mittlere Stufe geschaltet (schwarzer Ring). Im Gegensatz zu normalen mechanischen Blenden kann die mittlere Blende geschaltet werden, ohne die übrigen zu beeinflussen. Mittels der Klemmen werden die Spannungen angelegt, um jede Blende elektrisch schalten zu können. Das Schwarze im Bild (außer dem Ring) ist eine strukturierte Goldelektrodenschicht. (Foto: Koziel/TUK)

Professor Dr. Egbert Oesterschulze (re.) und sein Doktorand Carsten Kortz haben den neuen Filter mit Partnern entwickelt. (Foto: Koziel/TUK)

In der Mittagssonne ein gutes Foto zu machen, ist auch für geübte Fotografen eine Herausforderung. Helfen kann hier ein elektrisch steuerbarer Filter, den Kaiserslauterer Physiker mit Partnern entwickelt haben. Die durchgelassene Lichtmenge wird dabei durch das Einstellen des Färbegrads angepasst. Zum Einsatz kommen elektrochrome (EC) Moleküle auf Nanopartikeln, die ihre optischen Eigenschaften in weniger als einer Sekunde verändern, wenn eine elektrische Spannung angelegt wird. Bei EC-Filtern ist er damit das kontrastreichste und schnellste Bauelement. Interessant ist er etwa für Mikrooptiken im Smartphone. Die Forscher stellen die Arbeit in der Fachzeitschrift Nature Communications vor.

Mit dem Begriff Transmission beschreibt man die Durchlässigkeit eines Materials für optische Lichtwellen. Die Physiker um Professor Dr. Egbert Oesterschulze, Carsten Kortz und Alexander Hein von der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) haben einen neuartigen Filter entwickelt, der diese Durchlässigkeit in weniger als einer Sekunde verändern kann.

„Bei unserer Technik kommen zwei aufeinander abgestimmte Elektroden zum Einsatz, die ihre Färbung bestmöglich verstärken“, sagt Professor Oesterschulze, der an der TUK den Lehrstuhl für Physik und Technologie der Nanostrukturen leitet. Das Besondere hierbei: Auf den Elektroden befinden sich Nanopartikelschichten mit speziell angepassten Molekülen. Diese haben ganz besondere Eigenschaften: Sie sind elektrochrom. Das heißt, sie verändern ihre optischen Eigenschaften, wenn eine Spannung an die Elektroden angelegt beziehungsweise diese verändert wird. „Bei der einen Elektrode findet dann eine Oxidation statt, bei der anderen kommt es gleichzeitig zur Reduktion“, sagt der Kaiserslauterer Professor. „Dabei wandern Elektronen von einer Elektrode zur anderen.“ In der Folge färben sich die Moleküle auf den Nanopartikeln. Dieser Färbungszustand verbleibt ohne weitere Energiezufuhr und kann durch Umpolen der Spannung wieder restlos entfärbt werden.

Den Forschern ist es bei ihrem Filter gelungen, diesen elektrochemischen Prozess für diese Art der Materialien schnell ablaufen zu lassen und gleichzeitig einen sehr guten Färbekontrast zu erzielen. „Es dauert weniger als eine Sekunde“, fährt er fort. „Das ist im Bereich dieser Bauteile das bislang schnellste, was erreicht werden konnte.“

Diese Bauteile beziehungsweise die verwendeten Materialien sind nicht nur für Fotokameras und Kameras in Smartphones interessant; sie ließen sich auch im Bereich dimmbarer Fensterscheiben einsetzen. Dabei kann nicht nur sichtbares Licht herausgefiltert werden, sondern materialabhängig auch Infrarotstrahlung, die besonders im Sommer Innenräume eines Gebäudes aufheizt. Zudem könnten die vorgestellten Filter auch bei Kameras Verwendung finden, die in sicherheitsrelevanten Anwendungen zum Einsatz kommen, etwa beim Überwachen von Geländen. Eine Überbelichtung durch die Sonneneinstrahlung kann dabei verhindert werden.

Die Kaiserslauterer Physiker haben das System gemeinsam mit ihren Forscherkollegen Dr. Marius Ciobanu und Professor Dr. Lorenz Walder von der Universität Osnabrück entwickelt. Finanziell gefördert wurde die Arbeit von der Deutschen Forschungsgemeinschaft.

Die Studie ist in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications erschienen: „Complementary hybrid electrodes for high contrast electrochromic devices with fast response“. Zudem wurde sie von der Redaktion der Zeitschrift als „Editors` Highlight“ gewürdigt: https://www.nature.com/collections/dmmhtcypsc/content/jacilynn-brant

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-019-12617-4

Fragen beantwortet:
Prof. Dr. Egbert Oesterschulze
Physik und Technologie der Nanostrukturen
Tel.: 0631 205-2680
E-Mail: oester[at]physik.uni-kl.de