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24.10.2012

Nur 15 Atome entscheiden zwischen Pink und Blau

Amerikanische Physiker stellen extrem dünne farbige Beschichtungen her

Amerikanische Physiker haben eine farbige Beschichtung entwickelt, die dünner ist als die Wellenlänge des Lichts: Nur 5 bis 20 Nanometer (= Millionstel eines Millimeters) stark ist der Film aus dem Halbleitermaterial Germanium, der metallische Oberflächen unter anderem dunkelblau, purpur, gelb, pink oder türkis schimmern lässt. Bereits eine rund 2 Nanometer oder 15 Atomlagen dickere Beschichtung führt zu einer völligen Veränderung der Farbe. Wissenschaftler der Harvard Universität in Cambridge haben die Beschichtung für Metalle und andere Feststoffe entwickelt und dabei auf einen altbekannten physikalischen Effekt zurückgegriffen.

Blau, Orange und zahlreiche Pastellfarben können die Wissenschaftler mit dem neuen Verfahren erzeugen. Foto: Mikhail Kats, Romain Blanchard, Patrice Genevet
Nanofarben, Foto: Mikhail Kats, Romain Blanchard, Patrice Genevet

Jeder kennt das farbige Schillern von Öl oder Benzin in einer Wasserpfütze. Dies entsteht, wenn sich die einfallenden mit den an den Grenzen zwischen Luft und Öl sowie Öl und Wasser reflektierten Lichtwellen überlagern. Trifft nun ein Wellenberg auf ein Wellental, löschen sich die Wellen aus, trifft ein Berg auf einen Berg, verstärken sich die Wellen. Diese sogenannte Interferenz führt dazu, dass bestimmte Wellenlängen verstärkt, andere jedoch abgeschwächt werden. Da die Interferenz von der Dicke des Ölfilms abhängt und sich dieser in einer Pfütze stetig in Bewegung befindet, wechselt das ausfallende Licht ständig seine Farbe.

Das physikalische Prinzip bei einer solchen Interferenz an Schichten, die dünner sind als die Wellenlänge des Lichts, ist bereits seit Jahrhunderten bekannt. Auf die Idee, diesen Effekt für gezielt aufgetragene farbige Beschichtungen von Feststoffen zu nutzen, ist bisher jedoch noch niemand gekommen – ging man doch davon aus, dass sich die Interferenz an extrem dünnen Schichten nur bei durchsichtigen Substanzen nutzen lässt. Weit gefehlt, wie nun der junge Physiker Mikhail Kats zeigen konnte: In seinen Berechnungen wies er nach, dass sich mit solchen nur wenige Atomlagen dünnen Beschichtungen tatsächlich Farbeffekte erzielen lassen.

Der Vergleich mit einem Pennystück zeigt, wie fein die farbigen Muster sind. Foto: Mikhail Kats, Lulu Liu
Pennystück, Foto: Mikhail Kats, Lulu Liu

Der theoretischen Berechnung folgte die Umsetzung in der Praxis: Durch gezieltes Aufdampfen von nur wenige Atomlagen dicken Schichten aus Gold und Germanium gelang es den Forschern um Kats, metallischen Oberflächen tatsächlich eine Farbe zu verleihen. Unter anderem verliehen sie Silber in Pastellfarben schimmernde Oberflächen oder ließen sie golden erscheinen. Dank der eingesetzten Verfahren aus der Nanotechnologie konnten die Wissenschaftler nicht nur die Dicke, sondern auch die Lage der Schichten so genau steuern, dass nur Bruchteile von Millimetern große Muster in den jeweils gewünschten Farben entstanden.

Die Wissenschaftler können sich zahlreiche Anwendungen für das Verfahren vorstellen: Dazu gehören optische Geräte wie Filter oder Linsen, aber auch Bildschirme und Sensoren. Nicht zuletzt ließen sich mit der Technik auch farbige Kunstwerke in bisher nie gekannter Feinheit herstellen. (ud)