Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Organische Metalle im Blitzlicht

26.06.2012
Organische Kristalle können unter bestimmten Umständen überraschende Eigenschaften zeigen: Mal sind sie Isolator, mal leiten sie hervorragend elektrischen Strom. Was dabei auf atomarer Ebene geschieht, untersuchen Physiker aus Würzburg, Bayreuth und Südafrika in einem neuen gemeinsamen Projekt.

Ein zentrales Kupferatom umgeben von vier organischen Molekülen: Wie ein Kleeblatt muss man sich die Kristallbausteine vorstellen, mit denen Professor Jens Pflaum arbeitet. Der Physiker forscht am Lehrstuhl für Experimentelle Physik VI der Universität Würzburg. Gemeinsam mit Kollegen der Universitäten Bayreuth und Stellenbosch in Südafrika will er in den kommenden Jahren untersuchen, wie die Kristalle zu ihren überraschenden Eigenschaften kommen und wie schnell diese Schaltvorgänge ablaufen. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert das Projekt.

Forschung an organischen Halbleitern

„Die untersuchten Kristalle gehören zu der Klasse der eindimensionalen organischen Metalle“, sagt Jens Pflaum. Das bedeutet: Bei Raumtemperatur verhalten sie sich in einer Richtung metallisch und leiten Strom. In den Richtungen senkrecht dazu zeigen sie hingegen die Eigenschaften eines Isolators. Noch erstaunlicher wird ihr Verhalten, wenn man sie tiefen Temperaturen aussetzt: „Bei minus 210 Grad Celsius wird aus dem Metall ein Isolator. Und nochmals 30 Grad Celsius tiefer dreht sich der Prozess erneut um. Dann wird aus dem Isolator wieder ein Metall“, erklärt Jens Pflaum. Von „Re-Entry“ sprechen die Physiker in letzterem Fall. Fast so gut wie ein Kupferdraht leiten die organischen Kristalle mit dem Namen „Kupfer-DCNQI“ dann den Strom, obwohl der Elektronentransport nicht über die Kupferatome stattfindet, sondern über die organischen Moleküle.

Und noch eine Besonderheit macht den organischen Kristall für die Physiker so interessant: Bestrahlt man den tiefgekühlten Isolator mit einem Lichtblitz, schaltet er „sofort“ in den metallischen Zustand um und verbleibt in diesem für eine längere Zeit. „Die Tatsache, dass man den Isolator-Metall Übergang optisch sehr schnell schalten kann, zeichnet die organischen Metalle gegenüber anderen, nicht-organischen Verbindungen aus“, betont Jens Pflaum. Wie das Schalten funktioniert, was die Moleküle dabei machen, welche Veränderungen es in der Kristallstruktur gibt und insbesondere wie schnell diese Vorgänge ablaufen, all dies wollen die Physiker aus Würzburg, Bayreuth und Stellenbosch in dem Projekt aufklären – in der Würzburger Arbeitsgruppe der Doktorand Florian Hüwe und der Masterstudent Matthias Schmiddunser.

Komplizierte Herstellung

Damit der Wechsel vom „Metall“ zum „Isolator“ funktioniert, müssen sich die Moleküle in einer bestimmten Struktur im Kristall anordnen: Wie in einem extrem dünnen, langen Draht reiht sich dann ein Molekül hinter das andere (siehe Abbildung). Die Grundsubstanz synthetisieren Chemiker der Universität Bayreuth in Pulverform; am Physikalischen Institut der Universität Würzburg kristallisieren Jens Pflaum und seine Mitarbeiter daraus Einkristalle. Mehrere Wochen dauert es, bis ein wenige Zentimeter langer und zehntel Millimeter dicker Einkristall gewachsen ist, der in Form und Größe einem Haar ähnelt. Wochen, in denen tunlichst keine Erschütterung und kein Stromausfall das Wachstum stören dürfen. Aber die Mühe lohnt sich, das Würzburger Team ist bei der Zucht solcher „organischen Einkristalle“ international in der Spitzengruppe dabei.

Anschließend reisen die Kristallnadeln nach Südafrika, wo an der Universität Stellenbosch ein ehemaliger Würzburger Physiker mit seinen Mitarbeitern aus Europa und Afrika ein inzwischen international renommiertes Laser-Forschungslabor aufgebaut hat: Professor Heinrich Schwoerer kennt sich mit einer Technik besonders gut aus, dem Femtosekundenlaser. Mit dieser hoch entwickelten optischen Technik wollen die Forscher im wahrsten Sinne des Wortes Licht ins Dunkel der Vorgänge innerhalb der organischen Kristallstrukturen bringen.

Was beim Übergang vom Metall zum Isolator bei minus 210 Grad geschieht, ist bekannt. „Die Moleküle verschieben sich paarweise. Halten sie vorher identische Abstände zu ihren Nachbarmolekülen ein, gruppieren sich jetzt immer zwei Moleküle enger zusammen“, erklärt Jens Pflaum. Über die Dynamik der Vorgänge beim Schalten mit Licht sowie beim “Re-Entry“ Übergang gibt es bislang jedoch nur Theorien und Spekulationen. Das soll sich mit Hilfe des ultra-schnellen Laserlichts ändern. „Wir können damit das Geschehen auf extrem kurzen Zeiten darstellen“, sagen die Physiker, „diese Zeiten sind etwa so kurz wie die Schwingungszeiten der Atome in den Molekülen“.

Untersuchung mit dem Femtosekundenlaser

Femtosekundenlaser senden Lichtpulse aus, die unvorstellbar kurze 10-15 Sekunden dauern. Zur Verdeutlichung: Licht – mit einer Geschwindigkeit von 300.000 Kilometer pro Sekunde– legt in der Zeit von 100 Femtosekunden eine Strecke von 30 µm zurück, also etwa den Durchmesser eines menschlichen Haares. In Stellenbosch wird der Laser mit einem Lichtblitz gleich zwei Aufgaben erfüllen: Zum einen schaltet er das Material optisch um – vom Isolator zum Metall. Zum anderen trifft er zuvor auf eine dünne Metallfolie und setzt dabei Elektronen frei. Dieser Elektronenpuls trifft kurz nach dem Lichtpuls ebenfalls auf die Kristallprobe und wird an den Atomen gebeugt. Aus den Streuwinkeln der Elektronen können die Physiker dann einen Schnappschuss von der momentanen Anordnung der Atome im Kristallgitter gewinnen – mit einer Zeitauflösung von derzeit etwa 300 Femtosekunden.

Nun würde ein einziges Bild noch nicht allzu viel darüber verraten, was in dem organischen Kristall beim Schalten passiert. Deshalb variieren die Laserexperten in ihren Experimenten die Zeitspanne, die zwischen dem Eintreffen des Lichtpulses und des Elektronenpuls vergeht, in extrem kurzen Schritten. Die vielen Einzelbilder, die sie so erhalten, ergeben zusammengesetzt eine Art Film, der die Bewegung der Atome und der Elektronen während des Umschaltens vom Isolator zum Metall genau wiedergeben soll. „Wenn das funktioniert, wäre es das erste Mal, dass man den Übergang mit dieser hohen Zeitauflösung nachweisen und seinen Mechanismus auf atomarer Skala aufklären kann“, hoffen Pflaum und seine Kollegen.

Reine Grundlagenforschung

Grundlagenforschung ist das Projekt des deutsch-südafrikanischen Teams; eine konkrete Anwendung steht zunächst nicht im Mittelpunkt der Arbeiten. Allerdings hat der „optische Schalter“ einen großen Vorteil im Vergleich zu Techniken, die mit Hilfe einer Druck- oder Temperaturveränderung den Wechsel vom Isolator zum Metall hervorrufen: Er funktioniert sehr viel schneller. Für welche Anwendung sich das zukünftig nutzen lässt, ist derzeit offen. Ein superschneller Foto-Detektor, ein rasanter Chip für Kameras: Nach Jens Pflaums Worten aktuell „noch“ reine Gedankenspiele.

Kontakt

Prof. Dr. Jens Pflaum, T: (0931) 31-83118, jpflaum@physik.uni-wuerzburg.de

Robert Emmerich | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-wuerzburg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht APEX wirft einen Blick ins Herz der Finsternis
25.05.2018 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

nachricht Matrix-Theorie als Ursprung von Raumzeit und Kosmologie
23.05.2018 | Universität Wien

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

Je mehr die Elektronik Autos lenkt, beschleunigt und bremst, desto wichtiger wird der Schutz vor Cyber-Angriffen. Deshalb erarbeiten 15 Partner aus Industrie und Wissenschaft in den kommenden drei Jahren neue Ansätze für die IT-Sicherheit im selbstfahrenden Auto. Das Verbundvorhaben unter dem Namen „Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 7,2 Millionen Euro gefördert. Infineon leitet das Projekt.

Bereits heute bieten Fahrzeuge vielfältige Kommunikationsschnittstellen und immer mehr automatisierte Fahrfunktionen, wie beispielsweise Abstands- und...

Im Focus: Powerful IT security for the car of the future – research alliance develops new approaches

The more electronics steer, accelerate and brake cars, the more important it is to protect them against cyber-attacks. That is why 15 partners from industry and academia will work together over the next three years on new approaches to IT security in self-driving cars. The joint project goes by the name Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) and has funding of €7.2 million from the German Federal Ministry of Education and Research. Infineon is leading the project.

Vehicles already offer diverse communication interfaces and more and more automated functions, such as distance and lane-keeping assist systems. At the same...

Im Focus: Mit Hilfe molekularer Schalter lassen sich künftig neuartige Bauelemente entwickeln

Einem Forscherteam unter Führung von Physikern der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, spezielle Moleküle mit einer angelegten Spannung zwischen zwei strukturell unterschiedlichen Zuständen hin und her zu schalten. Derartige Nano-Schalter könnten Basis für neuartige Bauelemente sein, die auf Silizium basierende Komponenten durch organische Moleküle ersetzen.

Die Entwicklung neuer elektronischer Technologien fordert eine ständige Verkleinerung funktioneller Komponenten. Physikern der TU München ist es im Rahmen...

Im Focus: Molecular switch will facilitate the development of pioneering electro-optical devices

A research team led by physicists at the Technical University of Munich (TUM) has developed molecular nanoswitches that can be toggled between two structurally different states using an applied voltage. They can serve as the basis for a pioneering class of devices that could replace silicon-based components with organic molecules.

The development of new electronic technologies drives the incessant reduction of functional component sizes. In the context of an international collaborative...

Im Focus: GRACE Follow-On erfolgreich gestartet: Das Satelliten-Tandem dokumentiert den globalen Wandel

Die Satellitenmission GRACE-FO ist gestartet. Am 22. Mai um 21.47 Uhr (MESZ) hoben die beiden Satelliten des GFZ und der NASA an Bord einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien) ab und wurden in eine polare Umlaufbahn gebracht. Dort nehmen sie in den kommenden Monaten ihre endgültige Position ein. Die NASA meldete 30 Minuten später, dass der Kontakt zu den Satelliten in ihrem Zielorbit erfolgreich hergestellt wurde. GRACE Follow-On wird das Erdschwerefeld und dessen räumliche und zeitliche Variationen sehr genau vermessen. Sie ermöglicht damit präzise Aussagen zum globalen Wandel, insbesondere zu Änderungen im Wasserhaushalt, etwa dem Verlust von Eismassen.

Potsdam, 22. Mai 2018: Die deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow On) ist erfolgreich gestartet. Am...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Im Fokus: Klimaangepasste Pflanzen

25.05.2018 | Veranstaltungen

Größter Astronomie-Kongress kommt nach Wien

24.05.2018 | Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Berufsausbildung mit Zukunft

25.05.2018 | Unternehmensmeldung

Untersuchung der Zellmembran: Forscher entwickeln Stoff, der wichtigen Membranbestandteil nachahmt

25.05.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

25.05.2018 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics