Chamäleon für die Optoelektronik

Eine Flüssigkeit, die auf Knopfdruck ihre Farbe ändert, und ganz nach Wunsch jede Regenbogenfarbe annehmen kann? In der Zeitschrift Angewandte Chemie hat ein Forscherteam um Yadong Yin von der University of California (Riverside, USA) das Geheimnis ihrer wundersamen Flüssigkeit verraten: Nanoskopische Partikel aus magnetischen Kriställchen, beschichtet mit einer Kunststoffhülle, organisieren sich in der Lösung zu so genannten photonischen Kristallen – einer Art Halbleiter für Licht. Wird ein Magnetfeld angelegt, ändern sich die optischen Eigenschaften der Kristalle, ihre Farbe lässt sich über die Stärke des Feldes sehr präzise justieren.

Bei den Kristallen handelt es sich nicht um „konventionelle“ Kristallgitter aus Ionen oder Molekülen, wie wir sie z.B. als Salzkristalle kennen, sondern um kolloidale Kristalle, periodische Strukturen, die sich von selbst aus gleichgroßen, feinst in einer Flüssigkeit verteilten Feststoffpartikeln aufbauen. Kolloidale Kristalle lassen sich zu geringen Kosten und in großem Maßstab herstellen – und können als photonische Kristalle genutzt werden. Photonische Kristalle sind das optische Analogon zu elektronischen Halbleitermaterialien. Analog zu ihren elektronischen Pendants haben sie photonische Bandlücken, Bereiche verbotener Energien, also Wellenlängen, für die der photonische Kristall undurchlässig ist. Diese optische Eigenschaften hängen von den räumlichen Verhältnissen im Kristall ab. Von größtem Interesse sind photonische Kristalle, deren verbotene Bänder variabel sind und sich als Antwort auf einen äußeren Reiz rasch und präzise einstellen lassen. Diese Forderungen waren bisher kaum zu erfüllen.

Ein solcher Reiz kann z.B. ein Magnetfeld sein, wenn die Kristalle aus magnetischen Materialien bestehen, etwa Eisenoxid. Das Problem dabei: Die Magnetisierung bleibt erhalten, sobald die Partikel zu größeren Domänen anwachsen (Ferromagnetismus). Yin und sein Team fanden eine Lösung: Sie beschichten nanoskopische Eisenoxid-Partikel mit dem Kunststoff Polyacrylat. So entstehen separate Nanokristallcluster, die sich in Lösung zu kolloidalen photonischen Kristallen organisieren. Die Kräfte des Magnetfelds wirken auf jeden einzelnen Cluster und verändern dabei die Abstände zwischen den Clustern im Kristallgitter. In Abhängigkeit vom Abstand vom Magneten und damit von der Feldstärke ändert sich die Farbe der Kolloidkristalle quer durch alle Regenbogenfarben. Die Antwort ist sehr schnell und völlig reversibel, da die Nanokristalle innerhalb der Cluster so klein sind, dass sie ihre Magnetisierung nach Abschalten des Magnetfelds wieder verlieren (Superparamagnetismus). Potenzielle Anwendungsfelder für diese schaltbaren „optischen Halbleiter“ sind neuartige optoelektronische Bauteile für die Telekommunikation, Displays und Sensoren.

Angewandte Chemie: Presseinfo 28/2007

Autor: Yadong Yin, University of California, Riverside (USA), http://www.chem.ucr.edu/index.html?main=faculty&facsort=profile&faculty=yin

Angewandte Chemie, doi: 10.1002/ange.200701992

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