SCIENTIFIC HIGHLIGHTS
Die Sonne anzapfen

Ein Team von Forschern des IRIS Adlershof der Humboldt-Universität zu Berlin und der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden hat dünne Plastikfilme entwickelt, die sich kontinuierlich im Sonnenlicht bewegen. Derartige Materialien, die die Energie des Sonnenlichtes direkt in Bewegung umwandeln können, sind vielversprechende Kandidaten für die Entwicklung von solar getriebenen aktiven Oberflächen, wie z.B. in selbstreinigenden Fenstern. Die Ergebnisse dieser Studie wurden jetzt in Nature Communications veröffentlicht.

Um die Energie der Sonne zu nutzen, sind in den vergangenen Jahren zunehmend alternative Strategien entwickelt worden, um die Probleme mit der Speicherung der Sonnenenergie zu umgehen und diese direkt in mechanische Arbeit umzuwandeln. Ein vielversprechender Ansatz dazu sind lichtgetriebene molekulare Systeme und Maschinen. Jedoch ist das Sammeln und Verstärken der Reaktionen der einzelnen Moleküle, bis hin zu messbarer mechanischer Arbeit nach wie vor eine große Herausforderung. Auch wird hierzu bislang intensive, energiereiche UV-Strahlung benötigt, was derartige Systeme im Zusammenhang mit der Nutzung von größtenteils sichtbarem Sonnenlicht eher ungeeignet erscheinen lässt..

Nun haben sich deutsche und niederländische Chemiker zusammengetan und von Ihnen entwickelte Tetrafluorazobenzol-farbstoffe, die in grünem bzw. blauem Licht effizient ihre Form ändern, in Flüssigkristallen angeordnet. Letztere wurden dann durch eine Polymerisation in dünnen Plastikfolien fixiert, die sich im Sonnenlicht biegen und chaotisch hin und her schwingen.

 


Direkte Umwandlung von Sonnenlicht in Bewegung durch Organisation lichtempfindlicher Moleküle
Abbildung: Dr. David Bléger


Durch Variation wichtiger Systemparameter fanden die Forscher heraus, dass die Auslenkung der Plastikfilme sowohl von der Intensität als auch von der Wellenlänge des Lichts abhängt und nur im Falle gleichzeitiger Bestrahlung mit beiden Farben, d.h. grün und blau, eintritt. Im Ergebnis kann makroskopische Bewegung durch “einfaches” Sonnenlicht, d.h. ohne künstliche Lichtquellen, erzeugt werden.

Die Autoren prognostizieren alltagstaugliche praktische Anwendungen, wie selbstreinigende Oberflächen, z.B. in Fenstern. Darüber hinaus sind die Ergebnisse für die Entwicklung von autonomen, sonnenlichtgetriebenen Nano- und Mikromaschinen von Bedeutung.

A chaotic self-oscillating sunlight-driven polymer
K. Kumar, C. Knie, D. Bléger, M. A. Peletier, H. Friedrich, S. Hecht, D. J. Broer, M. G. Debije and A. P. H. J. Schenning
Nature Communications  (2016), published online
DOI: 10.1038/ncomms11975

 
Flexible optische Speicher

Forscher der Humboldt-Universität zu Berlin, unter der Leitung von Professor Stefan Hecht, Mitglied von IRIS Adlershof, haben in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Universität Strasbourg & CNRS in Frankreich und der Universität Nova Gorica in Slowenien leistungsstarke Speicherelemente entwickelt, die mit Licht beschrieben und gelöscht werden können. Hierzu haben sie kleine photoschaltbare Moleküle mit einem halbleitenden Polymer vereint. Darüber hinaus konnten erste Prototypen der optischen Speicher auch auf flexiblen Unterlagen realisiert werden und versprechen somit Anwendungen in trag- und biegbarer Elektronik sowie intelligenten Bauelementen. Die Ergebnisse wurden in Nature Nanotechnology veröffentlicht.

Um immer größere Datenmengen in elektronischen Bauteilen (RAM-Arbeitsspeicher, Festplatten, USB-Speicher usw.) zu speichern, müssen Alternativen zu konventionellen siliziumbasierten  Technologien entwickelt werden. Die kontinuierliche Miniaturisierung von elektronischen Schaltkreisen, die mit einer zunehmend wachsenden Zahl von Speicherelementen pro Fläche verbunden ist, stößt mittlerweile aufgrund der damit einhergehenden hochkomplizierten Fertigungssschritte an erste Grenzen. Ein attraktiver alternativer Ansatz verfolgt Speicherelemente – sogenannte “multilevel memories” – in denen nicht nur ein, sondern mehrere Bits pro Einheit gespeichert werden können.

Nun hat ein europäisches Team von Wissenschaftlern aus Berlin, Strasbourg und Nova Gorica licht-programmierbare organische Dünnschichttransistoren als Grundlage für eben solche “multilevel memories” entwickelt. Dazu haben die Forscher ein speziell maßgeschneidertes Molekül, das als optischer Schalter fungiert, mit einem halbleitenden Polymer gemischt.

Durch Beleuchtung mit ultraviolettem bzw. grünem Licht zum Schreiben bzw. Löschen von Informationen werden die molekularen Schalter zwischen zwei Formen hin- und hergeschaltet, wobei eine der beiden den Stromfluß durch das halbleitende Polymer ermöglicht (“AN”) während die andere ihn behindert (“AUS”).
 

 


Durch den Einbau dieser Komponenten in Transistoren und unter Nutzung kurzer Laserpulse konnten die Forscher Speicherkapazitäten von 8 Bit realisieren. Diese Prototypen weisen hohe Stabilität über 70 Schreib-Lese-Zyklen sowie einen Datenerhalt über mehr als 500 Tage auf.

Darüber hinaus konnte das Konzept auch auf flexible und leichte Unterlagen, wie z.B. Polyethylenterephthalat (PET), übertragen werden. Die resultierenden “soften” Bauelemente waren auch nach 1000 Biegezyklen noch voll funktionstüchtig und demonstrierten so eindrucksvoll ihre Stabilität und Eignung für flexible Elektronik.
 
Die Erkenntnisse dieser Studie haben große Bedeutung für die Entwicklung von optisch programmierbaren und flexiblen, elektronischen Bauelementen mit einem vielfältigen Anwendungspotenzial, z.B. in optischen Speichermedien und logischen Schaltkreisen.

Flexible non-volatile optical memory thin-film transistor device with over 256 distinct levels based on an organic bicomponent blend
T. Leydecker, M. Herder, E. Pavlica, G. Bratina, S. Hecht, E. Orgiu, and P. Samorì
Nature Nanotechnology  (2016),
DOI: 10.1038/nnano.2016.87

 
Reproducibility in density functional theory calculations of solids

The success and widespread popularity of density-functional theory (DFT) over the last decades has given rise to an extensive range of dedicated codes for predicting molecular and crystalline properties. However, each code implements the formalism in a different way, raising questions about the reproducibility of such predictions. In this article, the results of a community-wide effort is reported, comparing 15 solid-state codes, using 40 different potentials or basis set types, to assess the quality of the equations of state for 71 elemental crystals. The overall conclusion is that predictions from recent codes and pseudopotentials agree very well, with pairwise differences that are comparable to those between different high-precision experiments. Results of older methods, however, show stronger discrepancies.

exciting, the program package [1,2] developed in the group of Claudia Draxl at the Humboldt-Universität zu Berlin (Physics Department and IRIS Adlershof) represents one of the all-electron full-potential implementations of DFT. It employs the linearized-augmented planewave basis, which is considered the gold standard within the condensed-matter community. Within this study, exciting has proven to be among the three most precise packages, with nearly negligible differences between them.

 


exciting
has not only evolved into a benckmark code for DFT but has a strong focus on excitations that are treated within time-dependent DFT and many-body perturbation theory. In August 2016, HoW exciting! 2016 [3] will take place at the Campus Adlershof, consisting of an international workshop on excitations in solids and a hands-on course  employing exciting.

[1]   exciting-code.org
[2]  
exciting: a full-potential all-electron package implementing density-functional theory and many-body perturbation theory
A. Gulans, S. Kontur, C. Meisenbichler, D. Nabok, P. Pavone, S. Rigamonti, S. Sagmeister, U. Werner, and C. Draxl
J. Phys: Condes. Matter (Topical Review) 26 (2014) 363202
DOI: 10.1088/0953-8984/26/36/363202
[3]   how-exciting-2016.physik.hu-berlin.de
     
Reproducibility in density functional theory calculations of solids
K. Lejaeghere, G. Bihlmayer, T. Bjoerkman, P. Blaha, S. Bluegel, V. Blum, D. Caliste, I. E. Castelli, S. J. Clark, A. Dal Corso, S. de Gironcoli, T. Deutsch, J. K. Dewhurst, I. Di Marco, C. Draxl, M. Dulak, O. Eriksson, J. A. Flores-Livas, K. F. Garrity, L. Genovese, P. Giannozzi, M. Giantomassi, S. Goedecker, X. Gonze, O. Granaes, E. K. U. Gross, A. Gulans, F. Gygi, D. R. Hamann, P. J. Hasnip, N. A. W. Holzwarth, D. Iusan, D. B. Jochym, F. Jollet, D. Jones, G. Kresse, K. Koepernik, E. Kuecuekbenli, Y. O. Kvashnin, I. L. M. Locht, S. Lubeck, M. Marsman, N. Marzari, U. Nitzsche, L. Nordstrom, T. Ozaki, L. Paulatto, C. J. Pickard, W. Poelmans, M. I. J. Probert, K. Refson, M. Richter, G.-M. Rignanese, S. Saha, M. Scheffler, M. Schlipf, K. Schwarz, S. Sharma, F. Tavazza, P. Thunstroem, A. Tkatchenko, M. Torrent, D. Vanderbilt, M. J. van Setten, V. Van Speybroeck, J. M. Wills, J. R. Yates, G.-X. Zhang, and S. Cottenier
Science 351 (2016), 1415
DOI: 10.1126/science.aad3000

 


WEITERE SCIENTIFIC HIGHLIGTHS