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Mittwoch, 13.12.2017
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Forscher konstruieren Magnetsensor aus OLEDs

Elektronen in winzigem Plastikfleck dienen als hochsensible Messinstrumente

Ein winziger orangefarbener Klecks Plastikmaterial könnte zukünftig Kompasse und andere Magnetfeldsensoren ersetzen. Denn Forscher haben organische Leuchtdioden (OLEDs) so umfunktioniert, dass sie Magnetfelder präzise messen und anzeigen können. Diese OLED-Sensoren seien deutlich billiger und kleiner als die meisten bisher in Technik und Wissenschaft eingesetzten Magnetfeldmesser. Das neue Gerät benötige zudem keine Kalibrierung und arbeite über einen großen Temperaturbereich hinweg stabil, berichten die Forscher, darunter auch Wissenschaftler der Universität Regensburg, im Fachmagazin "Nature Communications". Schon in drei Jahren, so schätzen sie, könnten erste Geräte mit diesen sognannten organischen Magnetresonanz-Magnetometern (OMRM) auf den Markt kommen.
OLED-Magnetsensor

OLED-Magnetsensor

"Die Fähigkeit, Magnetfelder genau bestimmen zu können, ist für viele wissenschaftliche und technische Anwendungen entscheidend", sagen Christoph Boehme von der University of Utah und seine Kollegen. Vor allem in der Medizintechnik oder in der Physik benötige man solche Sensoren. Aber auch in Alltagsgeräten finde man Magnetfeldsensoren, beispielsweise in Handys, Festplatten, Navigationsgeräten, Türöffnern und anderen Elektronikgeräten. Doch die bisher verbauten Sensorbauteile seien meist weniger stabil und präzise wie die neu entwickelten und sehr viel teurer herzustellen, sagen die Forscher.

Der OLED-Magnetsensor misst noch Magnetfelder, die tausendfach schwächer sind als das Erdmagnetfeld, aber auch solche, die mehr als zehntausend Mal stärker sind. Er decke damit auch den Bereich der mittelstarken Felder ab, in dem es bisher kaum geeignete Geräte gebe, berichten die Wissenschaftler. Weil organische Dünnfilme, das Herz des Sensors, einfach herzustellen sind, könne man zudem sehr leicht zahlreiche solcher Sensoren auf einem Trägermaterial kombinieren. "Dadurch könnte man räumliche Veränderungen im Magnetfeld noch bis auf 100 Nanometer genau erfassen", schreiben Boehme und seine Kollegen. Das reiche aus, um beispielsweise winzigste Magnetfeldänderungen bei biologischen Prozessen zu erfassen.

Spins der Elektronen dienen als Minikompasse


Den Kern des OLED-Magnetsensors bildet das nur einmal einen Millimeter kleine Stück eines organischen Halbleitermaterials, wie die Forscher berichten. Dieser Dünnfilm ist auf einen Glasträger aufgetragen und in einen kleinen Schaltkreis integriert. Der organische Dünnfilm enthält negativ geladene Elektronen und positiv geladene Bereiche, die sogenannten Löcher. Die Elektronen verhalten sich in einem Magnetfeld wie kleine Kompasse: Sie richten ihre Eigendrehung, den sogenannten Spin, nach der Richtung des Magnetfelds aus.


Um die Stärke des Magnetfelds mit Hilfe der OLED-Elektronen messen zu können, nutzten die Forscher einen Trick: Der Schaltkreis um den Sensor herum erzeugt Radiowellen, deren Frequenz sich allmählich ändert. Diese Wellen bringen die Elektronen zum Schwingen. Ist ein magnetisches Feld präsent, kippen die Spins der Elektronen um - sie ändern ihre Ausrichtung. Dies geschieht je nach Stärke des Magnetfels bei unterschiedlichen Radiowellen-Frequenzen. Wann die Spins umkippen, lässt sich genau messen und daraus ergibt sich die Stärke des Magnetfelds.

Noch benötigt der OLED-Magnetsensor ein paar Sekunden pro Messung und ist damit relativ langsam. Die Forscher hoffen aber, dies weiter beschleunigen zu können, indem sie diesen OLED-Sensor mit einem weiteren, schnelleren Sensor kombinieren. (doi: 10.1038/ncomms1895)
(Nature Communications, 13.06.2012 - NPO)
 
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