13.05.2020

Schalten plasmonischer Pixel

Analyse der Schaltprozesse ebnet Weg zu völlig neuartigen, extrem hochauflösenden Displays.

Filme und Fotos mit immer höheren Auf­lösungen und besserem Kontrast erlauben heute lebensnahe Eindrücke und virtuelle Welten. Die aktuellen Display- und Projektions­technologien können dieses Potential jedoch noch nicht ausschöpfen, da ihre individuellen Pixel zu groß sind und sie daher die erforderlichen Auflösungen nicht erreichen. Physikern der Universität Stuttgart ist es nun erstmals gelungen, Schalt­prozesse mit bisher unerreichter Nanometer­auflösung zu vermessen und so die Grundlage für völlig neuartige, ultrahoch­auflösende Displays zu schaffen. 

Abb.: Visua­lisierung der nano­skaligen Ober­fläche von Magnesium...
Abb.: Visua­lisierung der nano­skaligen Ober­fläche von Magnesium überlagert mit einer gleich­zeitig vermessenen optischen Phasen­karte. (Bild: U. Stuttgart)

Wie man die Pixel-Größe reduzieren und die Auf­lösungen erhöhen kann, wird auf der ganzen Welt intensiv erforscht. Ein besonders aussichts­reicher Ansatz findet sich im Bereich der Nano­plasmonik. Dabei werden die optischen Streu­eigenschaften nanometer-großer metallischer Partikel genutzt – also deren Fähigkeit, brillante und reine Farben zu erzeugen. Durch einfache Größen­variationen solcher Partikel können Farben im gesamten sichtbaren Spektrum und darüber hinaus erzeugt werden. Diese gestreuten Farben können sogar manipuliert und gesteuert werden, indem man Phasenübergangs­materialien nutzt. Kombiniert man diese Ideen, lassen sich plasmonische Pixel von Nanometer­größe realisieren, deren Farben ein- und ausgeschaltet werden können.

Das hierfür vermutlich vielver­sprechendste Phasenübergangs­material ist Magnesium. Dieses auf der Erde in großen Mengen vorkommende Metall kann mit Hilfe von Wasserstoff zu einem dielek­trischen Isolator geschaltet werden, also von einem farbig erscheinenden zu einem durch­sichtigen Partikel. Dieser extreme optische Material­kontrast macht Magnesium zu einem idealen Kandidaten für optisch aktive und schaltbare Systeme wie dynamische Holographie, plasmonische Farb­displays oder schaltbare Meta­materialien.

Bisher wird die Nutzung von Magnesium in techno­logischen Anwendungen jedoch dadurch behindert, dass man die Prozesse auf der Nanoskala noch nicht versteht. Am Phasen­übergang vom metallischen Magnesium zu dielek­trischem Magnesium­hydrid kommt es nämlich zu einer starken Ausdehnung des Volumens und zur Ausbildung von Diffusions­barrieren. Dies sind Regionen, die das weitere Schalten behindern, verlangsamen oder sogar unterbinden. Die Forscher um Harald Gießen konnten nun den Einfluss der nano­skaligen Morphologie auf den Schalt­prozess detailliert analysieren und erklären. Dabei verwendeten sie frei­tragende Magnesiumfilme in Kombination mit Raster-Nahfeld Mikroskopie, um die Wasserstoff-Diffusions­prozesse in Echtzeit abzubilden. Die Messungen mit Nanometer-Auflösung zeigen einen starken Einfluss der Material-Morphologie auf den optischen Schalt­mechanismus und zeigen Strategien auf, um die Material­eigenschaften signifikant zu verbessern.

„Wir sind davon überzeugt, dass die veröffent­lichte Arbeit einen entscheidenden Beitrag zur Entwicklung hochleistungs­fähiger optischer Bauelemente mit nanometer­großen Pixeln leisten wird“, sagt Gießen. Er sieht darüber hinaus weitere wichtige Implikationen, da Magnesium als Wasserstoff­speicher genutzt wird. Die Speicher­effizienz dieser Medien wird vom tieferen Verständnis der Diffusions­prozesse auf der Nanometer­skala profitieren können. Damit könnten Visionen wie 3D-holo­graphische VR-Brillen schon in wenigen Jahren Wirklichkeit werden.

U. Stuttgart / JOL

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