D a s S p i e l m i t d e m L i c h t

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1 EINSICHTEN 2008 N E W S L E T T E R 0 1 n at u r w i s s e n s c h a f t e n Thorsten Naeser D a s S p i e l m i t d e m L i c h t In Leuchtdioden kommen bisher hauptsächlich herkömmliche Halbleiter-Materialien zum Einsatz. Ihnen gegenüber bieten Kunststoffpolymere einige Vorteile. Mit solchen organischen Materialien sollen in Zukunft großflächige und biegsame Leuchtdioden hergestellt werden. Physik-Professor Jochen Feldmann und sein Team erforschen, wie Kunststoffpolymere sowie kleinste Festkörperpartikel, so genannte Nanokristalle, mit Licht und elektrischen Feldern umgehen. Leuchtende Tapeten, Vorhänge oder Kühlschränke, die in regelmäßigen Abständen ihre Farben wechseln. Die Visionen, die Wissenschaftler und Beleuchtungsingenieure mit dem Stichwort Organische Leuchtdioden (OLEDs) verbinden, kennen kaum Grenzen. OLED steht für Organic Light Emitting Diode. Derzeit werden OLEDs vor allem bei Displays eingesetzt, doch ihre Zukunftsaussichten in der Beleuchtungsindustrie sind äußerst vielseitig und regen nicht zuletzt die Fantasien der Raumdesigner an. Einer, der unter anderem an der grundlegenden Funktionsweise und der Verbesserung der in der OLED-Technologie eingesetzten Materialien forscht, ist Professor Jochen Feldmann, Lehrstuhlinhaber für Photonik und Optoelektronik des Departments für Physik der LMU. Zusammen mit seinem Team aus rund 30 Wissenschaftlern und Wissenschaftlerinnen untersucht der Physiker, wie Kunststoffpolymere sowie kleinste Festkörperpartikel, so genannte Nanokristalle, mit Licht und elektrischen Feldern umgehen. Sein Forschungsteam hat sich darauf spezialisiert, optische und elektrische Experimente an einzelnen Polymermolekülen und einzelnen Nanokristallen durchzuführen. Jetzt haben Jochen Feldmann und seine Kollegen John Lupton und Florian Schindler untersucht, wie sich einzelne Polymermoleküle in elektrischen Feldern verhalten, die die Forscher von außen anlegten. Solche Kunststoffpolymere stellen eine wichtige Materialklasse für den Einsatz in organischen Leuchtdioden dar. Denn sie bieten einige Vorteile gegenüber den herkömmlichen Halbleiter-Materialien, wie Galliumarsenid, die bisher in Leuchtdioden zum Einsatz kommen. Mit organischen Materialien wie Kunststoffpolymeren werden sich in Zukunft großflächige und biegsame Leuchtdioden herstellen lassen. Wir 01

2 betreiben hier Grundlagenforschung, erklärt Jochen Feldmann. Wir wollen verstehen, was auf der Nanometerskala in den Polymeren passiert, die später in größerem Umfang in der Beleuchtungsindustrie zum Einsatz kommen könnten. Unsere Erkenntnisse über das Verhalten einzelner Moleküle sind wegweisend für die Verwendung dieser Materialien in OLEDs und anderen organischen Bauelementen. Ehemalige Doktoranden wie Florian Schindler sind daher begehrte Mitarbeiter in Forschungs- und Entwicklungsabteilungen weltweit führender Firmen der Beleuchtungsindustrie. Grundsätzlich sind Polymere chemische Verbindungen, die aus Ketten von gleichen Moleküleinheiten, so genannten Monomeren, bestehen. Diese speziellen, konjugierten Polymere, für deren Eigenschaften und Verhaltensweisen sich die Münchner Physiker interessieren, erlauben Elektronen im idealen Fall, sich über das gesamte Polymermolekül auszudehnen. Hierdurch erhält diese Klasse von Polymermaterialien ihre charakteristischen Farbeigenschaften. Den Polymeren führen die Forscher optisch oder elektrisch Energie zu. Diese Anregung führt dazu, dass Elektronen im Polymermolekül auf eine höhere Bahn gehoben werden. Dabei entstehen auf den niederen Bahnen Löcher oder Fehlstellen. Diese Fehlstellen verhalten sich wie geladene Teilchen, ihre Ladung jedoch ist denen der negativ geladenen Elektronen entgegengesetzt. Unter dem Einfluss der von außen angelegten Spannung bewegen sich die Löcher in die entgegengesetzte Richtung wie die Elektronen. Wenn sich nun ein angeregtes Elektron von einer höheren Umlaufbahn mit einem Loch trifft, kommt es zur Rekombination das Polymer setzt Energie in Form eines Photons frei und strahlt damit Licht aus. Nun haben die Wissenschaftler um Jochen Feldmann, die auch alle Mitglieder des Center for Nanoscience (CeNS) in München sind, untersucht, wie einzelne Kunststoffmoleküle ihre Farbe unter Einfluss eines elektrischen Feldes verändern. Die Farbänderung von Molekülen durch ein elektrisches äußeres Feld wird als Stark-Effekt bezeichnet. Benannt ist das Phänomen nach Johannes Stark, der unter anderem für die Entdeckung im Jahr 1919 den Nobelpreis erhielt. Ursprünglich beschreibt der Effekt spezifische Veränderungen der ausgestrahlten Spektrallinien von Atomen unter der Einwirkung großer elektrischer Felder. Elektrische Felder führen zu Farbänderungen Im Fall der konjugierten Polymer-Moleküle stellt sich die Abhängigkeit der Farbänderung vom angelegten elektrischen Feld anders dar als es die Forscher zuerst erwarteten. Ihre Untersuchungen an einzelnen Molekülen zeigen, dass in dem Material elektrische Ladungen und Polarisationen vorhanden sind, die das Molekül auch ohne von außen angelegtes Feld beeinflussen. Diese eingebauten elektrischen Felder führen ohne von außen angelegte Spannungen zu Farbänderungen und vor allem zur Unterdrückung der Lichtemission. Insbesondere letzteres ist für organische Leuchtdioden ein Problem, welches vor diesen Untersuchungen in seiner Ursache gar nicht bekannt war, jetzt aber gezielt gelöst werden kann. Die Möglichkeit, durch angelegte elektrische Felder nicht nur die Fluoreszenzwellenlänge, also die Farbe des Polymers zu steuern, sondern auch die Intensität, mit der das Licht ausgestrahlt wird, zeigt neue Anwendungsmöglichkeiten der konjugierten Polymere 02

3 Die Forscher am Lehrstuhl von Jochen Feldmann untersuchen, wie sich einzelne Polymermoleküle in elektrischen Feldern verhalten. Solche Kunststoffpolymere stellen eine wichtige Materialklasse für den Einsatz in organischen Leuchtdioden dar. als optoelektronische Schalter auf. Manche der Moleküle haben sogar eine Art Gedächtnis und könnten als Speicherbausteine fungieren, erläutert Jochen Feldmann. Für diese Art von Anwendungen hat das Forschungsteam aber schon eine viel bessere Lösung zu bieten. In einer Kooperation mit der Universität Hamburg und der University of California at Berkeley werden wenige Nanometer lange Kristallstäbchen, die aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien bestehen, untersucht. Bei Anlegen elektrischer Felder zeigen diese so genannten nano-rods noch drastischere Farbänderungen als die Polymere. Außerdem lassen sich hiermit optische Anregungen über lange Zeit speichern und durch Ausschalten des elektrischen Feldes kontrolliert wieder abgeben. Nanokristalle spielen eine immer wichtigere Rolle im Bereich der Nanowissenschaften und der Nanotechnologie, sagt der LMU-Forscher. Wir sind bestens gerüstet, bei diesem wissenschaftlichen und technologischen Wettbewerb international vorne mitzuspielen. Forschung aus einem Guss Jochen Feldmanns Erfolge in der Polymer- und Nanokristall-Forschung kommen nicht von ungefähr, denn seine Forschungsarbeiten entstehen am Lehrstuhl mehr oder weniger aus einem Guss. In den oberen Stockwerken des Instituts in Schwabing befinden sich Räume für die chemische Aufbereitung der Polymere und die Synthese von Nanokristallen. Auch einen modernen Reinraum für die Mikrostrukturierung der Materialien gibt es hier. In den weitläufigen Kellergewölben finden sich schließlich Laserlabore, in denen die optischen Experimente an den Polymeren und Nanomaterialien stattfinden. Dadurch dass wir alle Einrichtungen hier unter einem Dach haben, können wir schnell reagieren, wenn ein wissenschaftliches Problem auftaucht, hebt er hervor. Sein Team ist nicht nur interdisziplinär mit Physikern und Chemikern sondern auch international zusammengesetzt. Aus allen Himmelsrichtungen hat der Münchner Physiker Kollegen um sich versammelt. Am Lehrstuhl geben sich Wissenschaftler aus Weißrussland, Italien, Indien, Argentinien, Holland und der Ukraine die Klinke in die Hand. Vor allem aus dem weißrussischen Minsk stammen mehrere hochkarätige Chemiker wie Dr. Andrey Rogach, der die Chemie- und Reinraumlabors am Institut leitet und zu den weltweit zehn meist zitierten Wissenschaftlern auf dem Gebiet der Nanokristalle gehört, verrät Jochen Feldmann. Neben seinem Büro im zweiten Stock befinden sich eine Küche und ein gemütlicher Aufenthaltsraum, in denen sich die Wissenschaftler treffen und sich entspannt über ihre wissenschaftlichen Ergebnisse austauschen aber auch einmal über Privates plaudern können. Ich spiele gerne mit Licht, die Phänomene faszinieren mich, sagt er. Dass sich diese Begeisterung nicht nur auf die Forschung an Polymeren für Organische Leuchtdioden bezieht, zeigen auch andere Forschungsakti- 03

4 In den wietläufigen Kellergewölben des Lehrstuhls für Photonik und Optoelektronik finden sich die Laserlabore, in denen die optischen Experimente an den Polymeren und Nanomaterialien stattfinden. vitäten und Ergebnisse, die in letzter Zeit unter seiner Leitung an der LMU entstanden sind. Im Fokus der Wissenschaftler befanden sich erst vor kurzem mit Nanokristallen hergestellte Systeme, welche die Vorgänge bei der Photosynthese der Pflanzen nachahmen sollen. Bei der Photosynthese entstehen aus Kohlendioxid, Licht und Wasser mit Hilfe des Blattgrüns Sauerstoff und der Energielieferant Glucose. Der erste entscheidende Schritt bei der Umwandlung ist das Einfangen und Transferieren der Lichtenergie zwischen einzelnen Pigmentmolekülen, erläutert er. Wir versuchen, solche Einfangsysteme mit Nanokristallen nachzubauen und den Energietransfer mit unseren Messgeräten zu verfolgen. Weiterhin gelingt es uns mittlerweile, das Geschehen über angelegte elektrische Felder von außen zu steuern. Die Pflanzen bewerkstelligen den Energietransfer, der in der Physik als Förster-Effekt bekannt ist, mit einer einzigartigen Bravour. Dabei wird aus der eintreffenden Sonnenstrahlung sehr effizient chemisch nutzbare Energie in Form von Zucker produziert ohne dass dabei viel unbrauchbare Wärme entsteht. Man weiß heute sehr genau, wie die Natur die Ladungstrennung bei der Photosynthese bewerkstelligt, wie sie das Licht einsammelt und dann in nutzbare Energie umwandelt. Im Prinzip werden bei dem Transfer zwei benachbarte Moleküle als Lichtantennen aufgefasst. Wenn beide Antennen, also ein Sender und ein Empfänger, mit der gleichen Einstellung arbeiten, dann kann zwischen ihnen Energie, wie etwa beim Lichteinfall, übertragen und anschließend vom Empfänger in einer anderen Form weiter verwendet werden. Für uns stand fest, dass wir diesen Energietransport auch extern kontrollieren können, wenn wir es schaffen, das Spektrum zwischen Sender und Empfänger zu beeinflussen, erklärt er. Als Lichtsammelkomplex verwendeten die Wissenschaftler die Nanostäbchen, denn diese lassen sich mittels elektrischer Felder in ihrer Farbe hervorragend abstimmen. Neben die Nanostäbchen positionierten die Forscher Farbstoffmoleküle. Nachdem sie die Nanostäbchen mit Hilfe von Laserlicht angeregt hatten, konnten sie mittels einer angelegten Spannung ein Nanostäbchen (= Sender) in und außer Resonanz mit einem benachbarten Farbstoffmolekül (= Empfänger) bringen. Das Molekül begann bei Resonanz zu leuchten und erlosch, wenn die Farbe des Nanostäbchens mit Hilfe der Spannung verschoben wurde. Dass man die farbliche Abstimmung des Energietransfers bei einem einzelnen Sender-Empfängersystem jetzt erstmals elektrisch abstimmen kann, erzeugt eine Fülle neuer Anwendungsmöglichkeiten schwärmt Jochen Feldmann. Man kann sich ein optisches Energienetzwerk auf der Nanometerskala vorstellen, in dem wie beim Straßenverkehr mit Ampeln der Fahrzeugstrom kontrolliert und gelenkt werden kann. Neben dem An- und Abschal-ten des Moleküls waren bei diesem Experiment für die Physiker aber auch die Erkenntnisse über den eigentlichen Energietransfer enorm aufschlussreich. Denn die- 04

5 ser findet nicht zwischen jedem Sender und Empfänger statt, obwohl sie vielleicht direkte Nachbarn sind. Funken die beiden nicht exakt auf derselben Energie-Wellenlänge, dann kommt keine Kopplung zustande. Auch in der Natur ist dieser Energietransfer durch eine gewisse Unordnung limitiert, sagt Klaus Becker, Doktorand am Lehrstuhl für Photonik und Optoelektronik. Das bedeutet, dass es auch in der Natur die Pflanzen nicht zu hundert Prozent bewerkstelligen, das gesamte Sonnenlicht in chemische Energie umzuwandeln. Vielen Phänomenen des Lichts kann Jochen Feldmann an seinem Lehrstuhl selber auf den Grund gehen mit ausgeklügelten technischen Methoden. Doch es gibt auch Fragen rund ums Licht, die dem Physiker außerhalb seiner Arbeit immer wieder durch den Kopf gehen und denen er nicht sofort im Labor nachgehen kann, wie er bedauert. Katzen und Eulen können viel besser sehen als Menschen, sagt er. Mich würde brennend interessieren, ob diese Tiere auch einzelne Lichtteilchen wahrnehmen können. Die Biologie fasziniert ihn aber auch noch auf ganz andere Weise. Als Prorektor der Universität war der Wissenschaftler in den letzten zwei Jahren auch oft unterwegs bei Kollegen von anderen Instituten der LMU. Spannend fand ich dabei die Einblicke, die ich in die Neurobiologie bekommen habe, erzählt der Physiker. Vor allem die Erforschung der neuronalen Mechanismen bei Denk- und Entscheidungsprozessen war für mich besonders beeindruckend. Prof. Dr. Jochen Feldmann ist seit 1995 Professor für Photonik und Optoelektronik an der Fakultät für Physik erhielt er den Philip Morris Forschungspreis, im Jahr 2001 den Leibniz-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft. Von 2005 bis 2007 war er Prorektor der LMU. 05