Organische Leuchtdioden (OLEDs) als Kompassnadel

Forscher entwickeln neuartige Magnetsensoren OLEDs gehören zu den Technologien der Zukunft. Schon jetzt finden sie sich in vielen Display- und Beleuchtungsanwendungen. Denn OLEDs erzeugen ein brillantes Bild, sind relativ einfach herzustellen, sehr dünn, energiesparend und sogar auf flexiblen Trägerfolien einsetzbar. Forscher der Universität Regensburg konnten jetzt auch zeigen, dass die elektrische Lichterzeugung dabei sehr stark von magnetischen Feldern abhängt. Damit lassen sich OLEDs als empfindliche Magnetsensoren einsetzen – beispielsweise, um in Navigationsgeräten das Erdmagnetfeld zu vermessen. Prof. Dr. John Lupton vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der Universität Regensburg entwickelte in Kooperation mit Wissenschaftlern der University of Utah und der University of Sydney ein entsprechendes Gerät, das die Eigenschaften von OLEDs mit der Präzision herkömmlicher Magnetsensoren verbindet. Die Einheit benötigt keine Kalibrierung und funktioniert auch bei extremen Temperaturen. Für die Umwandlung von Strom in Licht bringen OLEDs positive und negative Ladungen zusammen, sogenannte Elektronen und Löcher. Diese Elementarladungen haben neben der elektrischen Eigenschaft noch ein weiteres Merkmal: So verhält sich ein Elektron mikroskopisch gesehen wie ein kleiner Stabmagnet. Richten sich viele dieser Stabmagnete zusammen in die gleiche Richtung aus, so spricht man von Magnetismus. Während im Alltag die statischen Eigenschaften magnetischer Felder dominieren, so sind für Physiker besonders die dynamischen magnetischen Prozesse – wie beispielsweise die Spinresonanz – interessant. Diese lässt sich leicht veranschaulichen. Läuft man mit einem Kompass unter einer Stromleitung durch, so schlägt die Kompassnadel aus, da der Strom ein Magnetfeld erzeugt, das das Erdmagnetfeld überlagert. Ändert sich die Stromrichtung nun regelmäßig, so ist es möglich, die Kompassnadel gleichmäßig auszulenken oder gar zum Rotieren zu bringen. Eine solche Rotation können die Stabmagnete der Elektronen auch in OLEDs erfahren. Wie bei einer Reihe von Stabmagneten hängt hier die Wechselwirkung zwischen den Magneten von der jeweiligen Richtung ab: Zwei Nordpole stoßen sich ab, Nord- und Südpol ziehen sich an. Mit einem stromdurchflossenen Draht können die Elektronen in der OLED nun zum Schwingen angeregt werden. Kleinste Änderungen in Magnetfeldern können als eine Änderung der Schwingung exakt ausgemessen werden. Somit wird aus einem – OLED-basierten – Display eines Navigationsgeräts das Navigationsinstrument selbst. In organischen Halbleitern, aus denen OLEDs hergestellt werden, können Elektronen ihre Eigenschaften als Stabmagneten besonders gut zur Schau stellen. OLED-basierte Magnetfeldsensoren sind deshalb auch außerordentlich empfindlich. Solche Sensoren könnten auch in medizinisch-diagnostischen Verfahren Anwendung finden. So ließe sich mit einem OLED-Display ein magnetisches Feld so genau abbilden, dass sogar biologische Prozesse untersucht werden könnten. Die Ergebnisse der Regensburger Physiker werden in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht (DOI: 10.1038/ncomms1895). Titel der Originalveröffentlichung: “Robust absolute magnetometry with organic thin-film devices”