Holografische Videotechnik Holo-Brille: Winzige Nanoantennen aus leitfähigen Polymeren

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Damit holografische Displays mit bewegten Inhalten möglich werden, sind Auflösungen von 50.000 dpi notwendig. Grundlage sind elektrisch schaltbare metallische Nanoantennen auf Basis von leitfähigen Polymeren. Damit sind Videoraten von 30 Hz möglich.

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Online-Meeting der Zukunft: Die Teilnehmerin rechts erkennt mittels einer VR/AR Brille die virtuell anwesende Vortragende links als realistisches Hologramm.
Online-Meeting der Zukunft: Die Teilnehmerin rechts erkennt mittels einer VR/AR Brille die virtuell anwesende Vortragende links als realistisches Hologramm.
(Bild: Universität Stuttgart/PI4, Julian Karst)

Entweder verwackelt, unscharf oder es laufen Leute durch das Bild: Seit der Corona-Pandemie sind Videokonferenzen überall angesagt. Sie bestimmen nicht nur private Kontakte, sondern auch unseren Arbeitsalltag. Allerdings fehlt bei der zweidimensionalen Zusammenkunft das Gefühl eines echten Dialogs.

Forscher der Universität Stuttgart haben jetzt einen komplett neuen Ansatz für holografische Displays entwickelt. Dieser basiert auf elektrisch schaltbaren plasmonischen Nanoantennen aus Polymeren. Damit sollen sich laut den Forschern bewegte Hologramme in Echtzeit realisieren lassen.

Hohe Auflösung als begrenzender Faktor

Die Holografie für eindrucksvolle dreidimensionale Standbilder sind vielen bekannt und das Grundprinzip der Holografie geht auf eine Erfindung von Dennis Gabor aus dem Jahr 1948 zurück, für die er 1971 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde.

Allerdings gibt es bei den Holografischen Displays einen begrenzenden Faktor. Holografische Bilder erfordern eine Auflösung von 50.000 dpi. Das ist um den Faktor 100 mehr, als bei den aktuellen Smartphones. Damit die gewünschte Auflösung erreicht werden soll, dann müsste man die Pixelgröße auf einen halben Mikrometer verkleinern. Dies ist jedoch nicht möglich, da die Ansteuerung der Graustufen zwischen „schwarz“ und „weiß“ über die Spannung bei so schmalen Pixeln mit den üblichen Flüssigkristallen nicht mehr funktioniert.

Die Barriere ist durchbrochen

Damit diese Barriere durchbrochen werden konnte, haben die Forscher der Universität Stuttgart interdisziplinär zusammengearbeitet. Physiker und Chemiker haben einen komplett neuen Ansatz für holografische Displays entwickelt. Dazu haben sie elektrisch schaltbare, nur wenige hundert Nanometer große metallische Nanoantennen auf Basis von leitfähigen Polymeren entwickelt.

Schon seit einigen Jahren konnte man mit Nanoantennen so genannte Metaoberflächen erzeugen, die beim Betrachten den Eindruck eines dreidimensionalen Hologramms hervorriefen. Diese Nanoantennen bestanden jedoch aus einem Metall wie Gold oder Aluminium und sind daher nicht wie Flüssigkristalle umschaltbar.

Elektrisch leitende Kunststoffe

Elektronenmikroskopaufnahme einer Metaoberfläche aus metallischen Polymeren.
Elektronenmikroskopaufnahme einer Metaoberfläche aus metallischen Polymeren.
(Bild: Universität Stuttgart/PI4, Julian Karst)

Auf der Suche nach geeigneten Materialien identifizierten Doktorand Julian Karst und Nanostruktur-Experte Dr. Mario Hentschel am 4. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart unter der Leitung von Prof. Harald Giessen zusammen mit der Polymerchemikerin Prof. Sabine Ludwigs und ihrem Team elektrisch leitende Kunststoffe als „umschaltbare Kandidaten“.

Die Gruppe von Sabine Ludwigs ist spezialisiert auf die Entwicklung und das elektrochemische Schalten von leitfähigen Funktionspolymeren. Diese Materialien, für deren Erfindung im Jahr 2000 der Nobelpreis für Chemie verliehen wurde, werden heute in Stromleitungen für flexible Displays und Solarzellen eingesetzt.

Karst und Hentschel entwickelten zusammen mit der Reinraumchefin Monika Ubl einen Prozess, der es ermöglichte, aus diesen „metallischen Polymeren“ winzige Nanoantennen herzustellen. Das Besondere daran: Bei Spannungen zwischen plus und minus 1 V in einem Elektrolyten schalten die optischen Eigenschaften des Materials zwischen metallisch reflektierend und glasartig durchsichtig hin und her, und das mit Videoraten von 30 Hz.

Nanoantennen messen weniger als 400 Nanometer

Metaoberfläche mit schaltbaren plasmonischen Nanoantennen. Der Lichtstrahl kommt von unten. Links: Bei angelegter Spannung von -1 V sind die Antennen transparent geschaltet und der Lichtstrahl geht unbeeinflusst hindurch. Rechts: Die Antennen sind optisch metallisch geschaltet (Spannung +1 V), der Lichtstrahl wird zur Seite abgelenkt.
Metaoberfläche mit schaltbaren plasmonischen Nanoantennen. Der Lichtstrahl kommt von unten. Links: Bei angelegter Spannung von -1 V sind die Antennen transparent geschaltet und der Lichtstrahl geht unbeeinflusst hindurch. Rechts: Die Antennen sind optisch metallisch geschaltet (Spannung +1 V), der Lichtstrahl wird zur Seite abgelenkt.
(Bild: Universität Stuttgart)

Karst und Hentschel entwickelten zusammen mit der Reinraumchefin Monika Ubl einen Prozess, der es ermöglichte, aus diesen „metallischen Polymeren“ winzige Nanoantennen herzustellen. Das Besondere daran: Bei Spannungen zwischen plus und minus 1 V in einem Elektrolyten schalten die optischen Eigenschaften des Materials zwischen metallisch reflektierend und glasartig durchsichtig hin und her, und das mit Videoraten von 30 Hz.

Die Nanoantennen sind weniger als 400 nm (0,4 µm) groß und nur wenige zehn Nanometer dick, erfüllen jedoch trotzdem dieselben Aufgaben wie die viel größeren und dickeren Flüssigkristalle. Damit erreichen sie bereits jetzt Pixeldichten von den geforderten 50.000 dpi.

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