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Arbeitsgruppe Optoelektronische Organik

40 Jahre, 40 Menschen: Interview mit Manuela Schiek

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Prof. Dr. Manuela Schiek

Institut für Physik

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  • Manuela Schiek hält zwei Fläschchen mit dem Farbstoff in den Händen.

    Organische Halbleiter sind Kohlenstoff-Verbindungen, die häufig empfindlich auf Licht reagieren. In Pulverform ist dieser organische Farbstoff grün, in Lösung blau. Foto: Universität Oldenburg/Daniel Schmidt

  • Großaufnahme von zwei kleinen Glasfläschchen vor dunklem Hintergrund.

    Vor dunklem Hintergrund lässt sich beobachten, dass die Lösung außerdem rötlich leuchtet. Foto: Universität Oldenburg/Daniel Schmidt

  • Die Schichten mit dem organischen Farbstoff sind nur wenige Nanometer dick. Nach dem Erhitzen verändert sich die Farbe nochmals in ein helles Violett. Foto: Universität Oldenburg/Daniel Schmidt

  • Manuela Schiek hält mit einer Pinzette ein beschichtetes Glasplättchen.Glas

    Normalerweise sind die organischen Halbleiter durchsichtig, doch unter bestimmten Bedingungen spiegeln sie Licht wie eine Metalloberfläche. Foto: Universität Oldenburg/Daniel Schmidt

  • Portraitfoto von Manuela Schiek.

    Manuela Schiek ist Juniorprofessorin für optoelektronische Organik. Foto: Universität Oldenburg/Daniel Schmidt

Von Blutrot bis Azurblau

Kohlenstoff statt Silizium: Die nächste Revolution in der Elektronik könnte auf so genannten organischen Halbleitern beruhen. Mit einer Gruppe dieser Materialien, die sehr speziell auf Licht reagiert, beschäftigt sich die Physikerin Manuela Schiek.

Kohlenstoff statt Silizium: Die nächste Revolution in der Elektronik könnte auf so genannten organischen Halbleitern beruhen. Mit einer Gruppe dieser Materialien, die sehr speziell auf Licht reagiert, beschäftigt sich die Physikerin Manuela Schiek.

Es könnte ein Röhrchen mit Tinte sein, das Prof. Dr. Manuela Schiek in der Hand hält. Die Flüssigkeit darin hat einen intensiven, azurblauen Farbton. Doch wenn die Physikerin das kleine Glasgefäß gegen das Licht hält, offenbart  der Inhalt sein Geheimnis: Die Flüssigkeit beginnt sanft blutrot zu leuchten. „Dieser Effekt ist eher eine kleine Spielerei, aber er zeigt, wie stark diese Stoffe mit Licht interagieren“, sagt Schiek, Juniorprofessorin und Leiterin der Arbeitsgruppe Optoelektronische Organik an der Universität Oldenburg.

Bei der Flüssigkeit im Glas handelt es sich um die Lösung eines Farbstoffs aus der Gruppe der so genannten Squaraine. Diese Klasse von organischen Substanzen hat ihren Namen aufgrund eines ansonsten sehr selten zu findenden Quadrats aus vier Kohlenstoff-Atomen erhalten, das sich im Zentrum der Moleküle befindet. Squaraine zählen zu den so genannten organischen Halbleitern – Molekülen auf Basis des Elements Kohlenstoff, die bewegliche Elektronen enthalten. Einige dieser Substanzen können durch Licht dazu gebracht werden, den elektrischen Strom zu leiten, andere werden durch Strom zum Leuchten angeregt. Nützliche Eigenschaften für so genannte optoelektronische Bauteile also, die es ermöglichen, elektronisch erzeugte Daten in Lichtemissionen umzuwandeln und umgekehrt. „Ein weiterer Vorteil gegenüber anorganischen Halbleitern wie Silizium besteht darin, dass sie von biologischem Gewebe besser vertragen werden und sich daher beispielsweise als nahtlose Schnittstelle zu neuronalem Gewebe eignen“, sagt Schiek.

Organische Halbleiter mit besonderer Symmetrie

Darüber hinaus sind dünne Schichten organischer Halbleiter meist biegsam, mit Druck- oder Sprühtechniken günstig herzustellen, und ihre Materialeigenschaften lassen sich relativ einfach nach Bedarf designen. Weil es zahlreiche interessante Anwendungsmöglichkeiten gibt, glauben viele Experten, dass diese Materialien die Informationstechnologie in den nächsten Jahren revolutionieren könnten, etwa in Bildschirmen oder Sensoren.

Manuela Schiek untersucht unter anderem Verbindungen, die eine besondere Symmetrie haben: Solche, die in zwei nahezu identischen, spiegelbildlich aufgebauten Varianten existieren. Diese so genannten chiralen Verbindungen verhalten sich zueinander wie rechte und linke Hand: „Egal wie man sie dreht und wendet, sie lassen sich nicht zur Deckung bringen“, erläutert Schiek. Dieses Prinzip ist in der Biologie weit verbreitet: Die Erbsubstanz DNA, Aminosäuren und viele Zucker sind chiral aufgebaut, das Leben nutzt dabei nur jeweils eine der beiden Varianten.

Aufgrund ihrer asymmetrischen Struktur haben chirale Verbindungen auch spezielle optoelektronische Eigenschaften: Sie zeigen unterschiedliche Reaktionen auf so genanntes zirkular polarisiertes Licht, das ebenfalls in zwei Händigkeiten – links und rechts zirkular polarisiert – auftritt. Diese Eigenschaft des Lichts wird zum Beispiel im 3D-Kino genutzt, damit rechtes und linkes Auge unterschiedliche Bilder sehen. Manche Materialien – etwa spiralförmig aufgebaute Stoffe oder biologische Gewebe – werfen rechtszirkular polarisiertes Licht anders zurück als sein Gegenstück, das linkszirkular polarisierte Licht. So auch chirale Verbindungen: „Sie absorbieren rechts- und linkszirkular polarisiertes Licht unterschiedlich stark“, berichtet Schiek. Diesen Absorptionsunterschied nennt man Zirkulardichroismus.

Erstaunliche Wechselwirkungen mit Licht

Der Effekt ist normalerweise relativ schwach ausgeprägt und wird zum Beispiel in der Forschung zur Charakterisierung von organischen Molekülen verwendet. Schiek hat verschiedene, von Kollegen an der Universität Bonn hergestellte Squaraine getestet und dabei eine besondere Substanz entdeckt: Bei dieser Verbindung ist der Absorptionsunterschied etwa hundertmal so groß wie bei anderen organischen Stoffen. 2018 veröffentlichte sie zusammen mit weiteren Kolleginnen und Kollegen aus Oldenburg, Spanien und Dänemark eine Studie in der Fachzeitschrift Nature Communications, in der das Team das Material und dessen optische Eigenschaften detailliert beschreibt. „Vorher hatte noch niemand etwas ähnliches beobachtet, deswegen mussten wir sehr genau nachweisen, dass der Effekt echt ist. Das war ein Meilenstein“, sagt die Forscherin.

Für ihre Untersuchungen bringt Schiek ihre farbenfrohen organischen Halbleitermaterialien zunächst in extrem dünnen Schichten auf kleine Glasplättchen auf und erhitzt diese dann. Dadurch lagern sich die Moleküle um, verändern ihre Farbe und entwickeln außerdem eine starke Wechselwirkung mit Licht. Wie stark der Zirkulardichroismus ausgeprägt ist, misst Schiek mit einem Spezialgerät, einem so genannten Ellipsometer. Bei einem der untersuchten Squaraine entdeckte sie dabei den außergewöhnlich starken Unterschied. „Der Effekt ist so groß, dass er technologisch nutzbar ist“, berichtet die Physikerin.

Ein Detektor für polarisiertes Licht

In einer zweiten, im Februar 2019 in der Zeitschrift Advanced Functional Materials veröffentlichten Studie beschreibt ein Team um Schiek bereits eine mögliche Anwendung: Die Forscher stellten aus dem Material eine Fotodiode her – also ein Bauelement, das Strom erzeugt, wenn Licht darauf fällt. Dieses Bauteil könnte als Detektor für zirkular polarisiertes Licht dienen. Das Besondere daran: Es benötigt dafür keine weiteren optischen Komponenten, wie sie bei einer konventionellen Fotodiode nötig wären. Schiek und Kollegen konnten zeigen, dass die Stärke des erzeugten Stroms von der Polarisationsrichtung abhängt. Die Diode kann diese Eigenschaft des Lichts somit erkennen – eine Fähigkeit, die sich beispielsweise in Miniatur-Schaltkreisen nutzen ließe. „Auf diese Weise könnte man zum Beispiel in Lichtleitern mehr Daten übertragen, denn die Polarisationsrichtung des Lichtes ist eine zusätzliche Information“, erläutert Schiek.

Die Forscherin ist außerdem weiteren Geheimnisse im Zusammenspiel von Licht und Materie auf der Spur. Sie untersucht beispielsweise, inwieweit sich der Spin von Elektronen – eine quantenmechanische Eigenschaft – in organischen Halbleitern durch zirkular polarisiertes Licht beeinflussen lässt. „Das geht in Richtung Quantencomputer“, verrät sie. Statt Magneten könnte dort in Zukunft womöglich polarisiertes Licht verwendet werden, um Informationen zu speichern oder zu übertragen – was viele Prozesse vereinfachen oder beschleunigen könnte.

Presse xt& K2b22zommzo8unimpoogka6aqtiutonvy (prjgtlessvze@uol.de) (Stand: 10.09.2019)