Durchscheinende Silberfilme für effizientere Leuchtdioden

Physiker können Licht durch Wände schicken, wenn nur der Einfallswinkel und die Wellenlänge stimmen: Im Versuchsaufbau britischer Forscher durchquert Licht eine eigentlich undurchsichtige Silberschicht, ähnlich wie Teilchen im quantenmechanischen Effekt durch Barrieren "tunneln".

Exeter (Großbritannien) - Durch die Anordnung des Silbers in mehrere dünne Schichten heben sich die Reflexionen an den Übergängen gegenseitig auf, so dass im Prinzip hundert Prozent des Lichtes das Hindernis durchqueren können. Das britische Experiment kam allerdings bisher nur auf rund 35 Prozent. Praktische Anwendung kann das System in effizienteren organischen Leuchtdioden (OLEDs) finden. In Halbleiterschaltkreisen könnte dasselbe Prinzip durch verlustfrei "tunnelnde" Elektronen ganz neue Möglichkeiten schaffen.

"Die klassische 'Backsteinwand', die laut der Quantenmechanik durchtunnelt werden kann, zeigt sich hier komplett transparent, wenn angemessene Medien sowohl vor als auch hinter der 'Wand' platziert werden", schreibt das Team um Ian Hooper und J. Roy Sambles von der University of Exeter im Fachblatt Physical Review Letters. Die Physiker hatten bekannte Effekte bei der Reflexion elektromagnetischer Wellen überprüfen wollen. Wenn ein Lichtstrahl mit sehr flachen Einfallswinkeln die Grenzfläche zwischen Glas und Luft trifft, reflektiert er komplett zurück ins Glas. Allerdings durchquert selbst bei dieser Totalreflexion immer noch ein kleiner Teil des elektromagnetischen Felds die Grenzfläche. Diese exponentiell abklingende Welle zieht allerdings keine Energie ab. Trifft dieses Feld jedoch in kurzem Abstand auf eine weitere Glasschicht, so kann es sich in diesem Medium wieder in eine sich ausbreitende Lichtwelle verwandeln. Unter einer anderen Betrachtungsweise haben die Teilchen des Lichtstrahls, die Photonen, die Barriere aus Luft "durchtunnelt".

Hooper und seine Kollegen beschichteten die Oberfläche eines Quarzglas-Prismas mit einer nur 200 Nanometer dünnen Zinksulfid-Schicht -- einem Isolator -- und schickten ihr Licht durch das Sandwich zweier solcher Prismen, die nur durch einen sehr dünnen Luftspalt getrennt waren. Da das Zinksulfid etwas Licht absorbiert, kamen sie auch bei der richtigen Wellenlänge nur auf 85 Prozent Durchlässigkeit. Dann ersetzten die Physiker den Isolator durch Zinkselenid und die Luftschicht durch eine 40 Nanometer dicke Lage aus Silber, das in dieser Dicke normalerweise so gut wie undurchsichtig ist. Dennoch ließ es zwischen den beiden Prismen 35 Prozent des Lichtstrahls hindurch. Die Forscher erklären, dass die Grenzflächen zwischen Glas und Isolator sowie Isolator und Silber bei gleicher Amplitude genau um 180 Grad phasenverschoben sind, so dass die Reflexionen sich gegenseitig aufheben. Ohne Reflexion und in einem nicht absorbierenden System muss alles Licht durch die Schichten hindurchgelangen, so die Forscher.

Durch exaktere Herstellung und Anordnung der Schichten wollen sie die Effizienz ihres Aufbaus nun deutlich steigern. In der praktischen Anwendung könnten organische Leuchtdioden effizienter werden, deren Leuchtkraft beschränkt ist, weil ihr Licht durch eine Metallkathode hindurch muss. Und im Bereich elektronischer Halbleiterschaltkreise hofft das Team, den selben "Tunneleffekt" auch für Elektronen in multiplen dünnen Schichten zu erreichen.