Organische Dünnschichtsensoren für die Lichtquellenanalyse und Fälschungsschutzanwendungen

In einer aktuellen Veröffentlichung in der Zeitschrift Fortgeschrittene Werkstoffestellt ein Team aus Physikern und Chemikern der TU Dresden einen organischen Dünnschichtsensor vor, der einen völlig neuen Weg zur Bestimmung der Wellenlänge von Licht beschreibt und eine spektrale Auflösung von unter einem Nanometer erreicht. Als integrierte Komponenten könnten die Dünnschichtsensoren in Zukunft externe Spektrometer überflüssig machen. Die neuartige Technologie wurde bereits zum Patent angemeldet.

Die Spektroskopie umfasst eine Gruppe von experimentellen Methoden, die Strahlung nach einer bestimmten Eigenschaft wie Wellenlänge oder Masse zerlegen. Sie gilt als eine der wichtigsten Analysemethoden in Forschung und Industrie. Spektrometer können Farben (Wellenlängen) von Lichtquellen bestimmen und werden als Sensoren in verschiedenen Anwendungen, wie Medizin, Maschinenbau, Lebensmittelindustrie und vielen mehr eingesetzt. Kommerziell erhältliche Instrumente sind in der Regel relativ groß und sehr teuer. Sie basieren meist auf dem Prinzip des Prismas oder Gitters: Licht wird gebrochen und anhand des Brechungswinkels der Wellenlänge zugeordnet.

Am Institut für Angewandte Physik (IAP) und dem Dresden Integrated Center for Applied Physics and Photonic Materials (IAPP) der TU Dresden werden solche Sensorkomponenten auf Basis organischer Halbleiter seit Jahren erforscht. Mit den Spin-Offs Senorics und PRUUVE wurden bereits zwei Technologien zur Marktreife entwickelt. Nun haben Forscher des IAP und IAPP in Kooperation mit dem Institut für Physikalische Chemie einen Dünnschichtsensor entwickelt, der einen völlig neuen Weg zur Bestimmung der Wellenlänge von Licht beschreibt und aufgrund seiner geringen Größe und Kosten deutliche Vorteile hat gegenüber handelsüblichen Spektrometern.

Das Funktionsprinzip der neuartigen Sensoren ist wie folgt: Licht unbekannter Wellenlänge regt Leuchtstoffe in einem hauchdünnen Film an. Der Film besteht aus einer Mischung lang leuchtender (phosphoreszierender) und kurz leuchtender (fluoreszierender) Einheiten, die das zu untersuchende Licht auf unterschiedliche Weise absorbieren. Aus der Intensität des Nachleuchtens kann auf die Wellenlänge des unbekannten Eingangslichts geschlossen werden.

„Wir nutzen die fundamentale Physik angeregter Zustände in Leuchtstoffen“, erklärt Anton Kirch, Doktorand am IAP. „Licht unterschiedlicher Wellenlängen regt in einem solchen System bei richtiger Zusammensetzung bestimmte Anteile langlebiger Triplett- und kurzlebiger Singulett-Spinzustände an. Und wir kehren diese Abhängigkeit um. Indem wir die Spinanteile mit einem Fotodetektor identifizieren, können wir Lichtwellenlängen identifizieren.“ .“

„Die große Stärke unseres Forschungsverbundes hier in Dresden sind unsere Partner“, sagt Prof. Sebastian Reineke, der das Projekt koordiniert hat. „Gemeinsam mit den Gruppen von Prof. Alexander Eychmüller aus der Physikalischen Chemie und Karl Leo, Professor für Optoelektronik, können wir alle Herstellungs- und Analyseschritte selbst durchführen, angefangen bei der Materialsynthese und Filmverarbeitung bis hin zur Herstellung des organischen Detektors. „

Dr. Johannes Benduhn ist Gruppenleiter für Organische Sensoren und Solarzellen am IAP: „Ich war ehrlich gesagt sehr beeindruckt, dass eine einfache photoaktive Folie in Kombination mit einem Photodetektor ein so hochauflösendes Gerät bilden kann.“

Mit dieser Strategie haben die Wissenschaftler eine spektrale Auflösung im Subnanometerbereich erreicht und geringfügige Wellenlängenänderungen von Lichtquellen erfolgreich verfolgt. Neben der Charakterisierung von Lichtquellen können die neuartigen Sensoren auch im Fälschungsschutz eingesetzt werden. „Mit den kleinen und preiswerten Sensoren könnten beispielsweise Geldscheine oder Dokumente ohne teure Labortechnik schnell und zuverlässig auf bestimmte Sicherheitsmerkmale überprüft und so deren Echtheit bestimmt werden“, erklärt Anton Kirch.