Polymerforscher können nicht nur Kunststoff

Polymerforscher entwickeln neuen ultradünnen UV-Licht-Absorber

Der ultradünne UV-Absorber kann auch auf flexiblem Material aufgebracht werden - hier in Form des Logos der Technischen Fakultät der Uni Kiel. [Foto: D. Schimmelpfennig/CAU]

Ultraviolettes Licht (UV) kann nicht nur Moleküle und biologisches Gewebe wie die Haut schädigen, sondern auch die Leistung von organischen Solarzellen beeinträchtigen, wenn sie der Strahlung lange ausgesetzt sind. Forschende der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) und des Helmholtz-Zentrums Geesthacht haben jetzt ein sogenanntes plasmonisches Metamaterial entwickelt, das mit Solartechnologie kompatibel ist und UV-Licht perfekt absorbiert.

Die Besonderheiten des Materials: Es ist nur 20 Nanometer dünn. Es ist einer der ersten Absorber aus Metamaterial, der für die hohen Frequenzen von UV-Licht gebaut wurde. Die Studie der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erschien kürzlich im renommierten Fachmagazin „Applied Physics Letters“.

Die Verschlechterung von organischen Solarzellen durch UV-Licht ist ein herausforderndes Problem, das die Anwendung der Zellen begrenzt. Das neue Metamaterial, das das UV-Licht komplett blockiert, könnte die Haltbarkeit dieser Solarzellen verbessern. „Unser perfekter Absorber kann sogar auf flexiblem Material wie zum Beispiel Dünnfilm-Sonnenkollektoren auf Textilien der nächsten Generation aufgebracht werden“, sagt Mehdi Keshavarz Hedayati von der Forschungsgruppe Nanochemie und Nanotechnik der Universität Kiel und Erstautor des Artikels.

„Metamaterialien sind künstliche Materialien, die aus konstruierten Zelleinheiten zusammengesetzt sind. Sie können verblüffende und einzigartige elektromagnetische Eigenschaften aufweisen, die die einzelnen Bestandteile an sich nicht besitzen", fügt Hedayati hinzu. „Mit ihnen sind neuartige Apparaturen denkbar, da die künstlich strukturierten Verbundwerkstoffe die Lücke im elektromagnetischen Spektrum schließen könnten, in der die Möglichkeiten anderer Materialien begrenzt sind." Auch bei schrägen Einfallswinkeln des Sonnenlichts absorbiert das Material nahezu perfekt.

„Bereits in vorhergehenden Studien konnten wir die hohe Absorption dieser Klasse von Metamaterialien zeigen. Aber jetzt haben wir unseren früheren perfekten Absorber auf die höheren UV-Frequenzen einstellen können, indem wir Gold oder Kupfer durch Silber ersetzt haben“, sagt der Projektleiter Professor Mady Elbahri, Leiter der gemeinsamen Forschungsgruppe des Instituts für Polymerforschung am Helmholtz-Zentrums Geesthacht und der Universität Kiel. „Ein Metamaterial herzustellen, das für die UV-Frequenz funktioniert, ist sehr schwierig mit den herkömmlichen Methoden, die auf aufwendiger Nanolithographie basieren. Unsere Metamaterialien hingegen stellen wir durch Co-Sputtern her, eine Routinetechnik in der Dünnfilmtechnologie. Das macht unsere Idee anwendbar für eine Großproduktion.“

„Das entwickelte Herstellungsverfahren ist einfach und die Produktion in größerem Stile vergleichsweise günstiger als mit anderen Verfahren“, sagen die Koautoren der Studie Professor Franz Faupel und Dr. Thomas Strunskus von der Forschungsgruppe für Materialverbunde. „Unser Ziel ist es jetzt, die Leistung und Stabilität des Systems in rauen Umgebungen zu verbessern.“ Vorstellbar ist auch, dass das neue Konzept in vielen anderen Bereichen außer der Solartechnologie Einsatz findet. Beispielsweise in der Medizin, wo es in Sensoren genutzt werden könnte, um krebserregende Stoffe im menschlichen Körper aufzuspüren.

Die Idee zu dem Metamaterial bescherte Elbahri den Sonderpreis des schleswig-holsteinischen Ideenwettbewerbs 2012. Sein Doktorand Hedayati erhielt für seine Arbeit an dem Absorber kürzlich den „Khwarizmi Youth Award“, einen Preis, den das iranische Bildungsministerium an junge iranische Forschende für herausragende Leistungen vergibt. Elbahri und seine Kolleginnen und Kollegen arbeiten im Sonderforschungsbereich 677 „Funktion durch Schalten“, der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert wird. Dort forschen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an Molekülen, die wie Maschinen funktionieren sollen und Elbahris Absorber intelligent machen könnten. Denn anstelle von Metallpartikeln könnten Moleküle, die an- und ausgeschaltet werden können, die Funktion des Metamaterials steuern.

Das Prinzip und der Aufbau des neuen UV-Absorbers: Die von den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern entwickelte Struktur setzt sich aus drei Schichten zusammen. Die obere, welche dem UV-Licht ausgesetzt ist, ist ein Nanokomposit aus einer Siliciumdioxidmatrix in die jeweils fünf Nanometer große Nano-Silberpartikel eingebettet sind. Darunter ist eine Schicht aus Siliciumdioxid, die auf einem Silberfilm aufliegt. In diesem Stapel wird das ganze UV-A-Licht absorbiert: Wie ein Spiegel reflektiert die untere Schicht, der Silberfilm, einfallendes Licht. Das wiederum wechselwirkt mit den Nanopartikeln in der oberen Schicht, wo es absorbiert oder gestreut wird. Darüber hinaus löschen sich Lichtwellen gegenseitig durch Überlagerung zwischen den Schichten aus. Außerdem versetzt das Licht die Leitungselektronen der Nanopartikel in Schwingungen – sogenannte Oberflächenplasmonen –, so dass es in den winzigen Lücken zwischen den Partikeln gefangen wird.

Quelle:
Plasmonic tunable metamaterial absorber as ultraviolet protection film. M. K. Hedayati, A. U. Zillohu, T. Strunskus, F. Faupel and M. Elbahri, Appl. Phys. Lett. 104 , 041103 (2014)

Weitere Informationen

Helmholtz-Zentrum Geesthacht - Zentrum für Material- und Küstenforschung