Ohne Seltene Erden: Neues Rezept für weiße Leuchtdioden

Metallorganische Leuchtstoffe sollen teure Elemente wie Yttrium und Cer ersetzen – Design von warmweißem Licht möglich
Aus und An: Prototyp einer Weißlicht-LED mit metallorganischem Leuchtstoff, der ohne Seltene Erden auskommt
Aus und An: Prototyp einer Weißlicht-LED mit metallorganischem Leuchtstoff, der ohne Seltene Erden auskommt
© Zhichao Hu, Rutgers University
Boston (USA) - Blau + Gelb = Weiß. Diese Formel gilt für alle weißen Leuchtdioden. Die sparsamen Lichtquellen bestehen aus einer blauen Leuchtdiode, deren Licht in einer dünnen Leuchtstoff-Schicht teilweise in Gelblicht umgewandelt wird. Die Mischung nimmt unser Auge als Weißlicht wahr. Für diese Leuchtmittel, die rasant Glüh- und Energiesparlampen aus dem Markt drängen, haben amerikanische Forscher nun ein neues Rezept entwickelt. Wie sie auf der Jahrestagung der American Chemical Society in Boston berichten, konnten sie Leuchtdioden gänzlich ohne die teuren, meist aus China importierten Seltenen Erden herstellen. Möglich war dies mit metallorganischen Hybrid-Materialien, mit denen die Preise für die noch teuren Weißlicht-LEDs drastisch fallen könnten.

„Wir haben eine einfache Prozedur gefunden, um Leuchtstoffe mit hoher Lichtausbeute zu bekommen“, sagt Zhichao Hu von der Rutgers State University of New Jersey. Um Weißlicht zu erhalten, ersetzte Hu mit seinen Kollegen den etablierten Leuchtstoff aus Yttrium-Aluminium-Granat, dotiert mit dem Element Cer, durch eine spezielle metallorganische Verbindung. In ihren ersten Prototypen nutzten sie aufgedampfte, dünne Schichten aus Cadmiumsulfid-Butyldiamin, die sie teilweise mit zusätzlichen Manganatomen dotierten. Extrem hohe Gelblichtausbeuten waren mit diesen neuen, halbleitenden Leuchtstoffen möglich.

Der Verzicht auf Seltene Erden war aber nicht der einzige Vorteil. Denn je nach Struktur, Zusammensetzung und Dotierung der dünnen Leuchtstoff-Schichten ließ sich das Lichtspektrum im gelben Bereich über ein Feintuning der Halbleiter-Eigenschaften variieren. So waren LEDs möglich, die in der Summe ein warmweißes Licht ausstrahlten. Diese Lichtqualität war nach Aussage der Forscher vergleichbar mit der herkömmlicher Glühlampen und könnte die Akzeptanz von sparsamen LEDs weiter steigern.

Bevor diese metallorganischen und bereits patentierten Leuchtstoffe in der Produktion von Weißlicht-LEDs Fuß fassen können, muss deren Langlebigkeit allerdings noch unter Beweis gestellt werden. Gelingt dies, könnte sich die Leiterin der Arbeitsgruppe, Jing Li, eine weitere Kostensenkung um bis zu 90 Prozent gegenüber heute verfügbaren Weißlicht-LEDs vorstellen. Da jedoch mit Cadmium auch ein giftiges Schwermetall in den Leuchtstoffen enthalten ist, müssten diese Leuchtdioden am Ende ihrer Lebenszeit allerdings als Sondermüll entsorgt werden.

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