Monochromatisches Licht aus der Absorberschicht

Der Panzer mancher Käferarten schillert je nach Blickwinkel in zahlreichen Farben. Inspiriert durch diesen Effekt, der im wesentlichen auf Lichtstreuung und nicht auf Farbstoffen beruht, entwickelte nun eine Forschergruppe in Saudi-Arabien eine neuartige Lichtquelle, mit der sich monochromatisches Licht erzeugen ließ. Ihre Lichtquelle bestand aus einer dünnen Schicht, in der die Wissenschaftler fluoreszierende Farbstoff­moleküle und Licht absorbierende Nanoteilchen kombinierten. Verantwortlich machten sie einen exotischen Effekt, den sie als Licht-Kondensation beschrieben. Dieses Grundlagenexperiment könnte zu effizienteren Solarzellen und neuen photonischen Modulen führen.

Andrea Fratalocchi und seine Kollegen von der King Abdullah University of Science and Technology in Thuwal schufen in einem ersten Schritt eine tiefschwarze Beschichtung, die sowohl sichtbares als auch infrarotes Licht fast vollständig absorbieren konnte. Für diesen fast perfekten Schwarzkörper züchteten sie in einem nasschemischen Verfahren winzige Nanopartikel aus Gold. Dabei entstanden winzige Nanostäbchen mit einem Durchmesser von etwa 20 Nanometern, an denen kleine Goldkügelchen mit gut 40 Nanometer Durchmesser hafteten.

Verteilt in einer wässrigen Lösung trugen sie diese Nanoteilchen in einer etwa zehn Mikrometer dicken Schicht auf einer Unterlage auf und untersuchten das Absorptions­verhalten mit einem Spektrometer für ein weites Spektrum zwischen UV- und Infrarotstrahlung. Einfallende Lichtwellen konnten von den Nanokügelchen eingefangen und in das Stäbchen weitergeleitet werden. Dieses wirkte als ein unendlicher Wellenleiter, so dass sich eine hohe Absorptionsrate von 98,43 Prozent über ein breites Spektrum von 400 bis 1400 Nanometer Wellenlänge erreichen ließ. Nach Aussage von Fratalocchi soll dieses nanostrukturierte Schwarzkörper-Material eine Reihe von neuen Anwendungen von neuartigen Lichtquellen bis hin zu einer effizienteren Stromerzeugung mit Sonnenlicht ermöglichen.

Um dieses Anwendungspotenzial zu demonstrieren, mischten die Forscher zusätzlich fluoreszierende Farbstoffmoleküle (Rhodamin B) in diese Absorberschicht. Angeregt mit kurzen, grünen Laserpulsen sendeten sie ein Fluoreszenzlicht über einen breiten Bereich von 590 bis etwa 650 Nanometer Wellenlänge aus, das nach vielfacher Streuung an den Farbstoffmolekülen auch von den Nanoteilchen aus Gold teilweise absorbiert wurde. Doch mit steigender Leistung des Lasers änderte sich dieses Emissions­verhalten deutlich. Bei über 450 Milliwatt Laserleistung ließ sich nur noch eine Lichtemission bei 590 Nanometer Wellenlänge mit einer sehr geringen spektralen Breite von etwa fünf Nanometern beobachten.

Anders als bei einem Laser mit einer stimulierten Emission zwischen machten die Forscher für die strahlende Absorber­schicht einen exotischen Effekt verantwortlich, den sie als Licht-Kondensation bezeichneten. Dabei wurde die mit steigender Laserleistung zunehmende Lichtemission der Farbstoff­partikel in der dünnen Schicht nur noch partiell von den absorbierenden Nanoteilchen verschluckt. Zudem sendete die gesamte Schicht bevorzugt Fluoreszenzlicht mit der kürzesten Wellen­länge und damit höchster Energie innerhalb des Emissions­spektrums für Rhodamin B aus. Parallel erstellten die Wissenschaftler ein theoretisches Modell, dass basierend auf einem thermo­dynamischen Gleichgewicht für die Absorberschicht eine Übertragung der Energie der langwelligen Lichtanteile auf die kürzest mögliche Wellenlänge bestätigte.

Dieses Experiment zeigte, dass mit über die Kombination effektiver Absorber-Teilchen mit fluoreszierenden Farbstoff­partikeln eine engbandige monochromatische Lichtemission möglich ist. Da für diesen Prozess einer Licht-Kondensation, begleitet von Superlumineszenz, noch die Anregung durch einen Laser nötig war, ist er als Lichtquelle eher uninteressant. Doch mit anderen Kombinationen aus fluoreszierenden Farbstoff­molekülen und licht­absorbierenden Nanoteilchen könnten diese lichtaktiven Absorber­schichten an andere Anwendungen angepasst werden. Vorstellbar ist eine Schicht, die die Energie des gesamten Sonnenspektrums auf einen kleinen Wellen­längen­bereich bündelt. Damit könnte man Solarzellen bei den Wellenlängen mit dem jeweils höchsten Wirkungs­graden betreiben und die Stromausbeute – vergleichbar mit der Effizienz von Stapelzellen – entsprechend steigern.

Jan Oliver Löfken

DE