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Neuartige Displays: Mikro-Pixel für Maxi-Auflösung

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

Damit die Pixel bei einem Display schrumpfen, arbeiten Forscher der Universität Stuttgart an sogenannten plasmonischen Pixeln auf Basis von Magnesium. Jetzt haben sie einen Schaltprozess in Nanometerauflösung gemessen – der könnte die Display-Technik revolutionieren.

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

4K, 8K, die Grenzen bei der Auflösung eines Display scheinen keine Grenzen gesetzt. Physikalisch begrenzt werden hohe Auflösungen und ein hoher Kontrast bei einem Display von den einzelnen Pixeln. Jetzt wollen Physiker der Universität Stuttgart die Schaltprozesse mit einer sehr genauen Nanometerauflösung vermessen. Das schafft Grundlage für neuartige, ultrahochauflösende Displays.

Damit ein Pixel schrumpft, daran arbeiten Forscher weltweit. Ein besonders aussichtsreicher Ansatz findet sich mit der Nanoplasmonik. Dabei werden die optischen Streueigenschaften nanometer-großer metallischer Partikel genutzt – also deren Fähigkeit, brillante und reine Farben zu erzeugen.

Farben lassen sich ein- und ausschalten

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 mithilfe 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.

Verhalten von Magnesium verstehen

Bisher wird der Einsatz von Magnesium in technischen Anwendungen 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 sogenannten Diffusionsbarrieren. Das sind Regionen, die das weitere Schalten behindern, verlangsamen oder sogar unterbinden.

Einem Forscherteam unter Leitung von Prof. Harald Gießen am 4. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart ist es nun erstmals gelungen, diese Schaltprozesse mit bisher unerreichter Nanometerauflösung zu vermessen. Die Forscher konnten so den Einfluss der nanoskaligen Morphologie (Gestalt) auf den Schaltprozess detailliert analysieren und erklären. Doktorand Julian Karst verwendete in seinem Experiment freitragende Magnesiumfilme in Kombination mit Raster-Nahfeld-Mikroskopie, um die Wasserstoff-Diffusionsprozesse in Echtzeit abzubilden. Seine 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.

3D holographische VR-Brille rückt näher

„Wir sind davon überzeugt, dass die veröffentlichte Arbeit einen entscheidenden Beitrag zur Entwicklung hochleistungsfähiger optischer Bauelemente mit nanometergroßen Pixeln leisten wird“, betont Prof. Harald Gießen. Der Leiter der Studie 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.

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