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Alternative Erleuchtung Mangan ersetzt seltene Erden in Leuchtmitteln

Quelle: HHU Düsseldorf 2 min Lesedauer

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Forscher der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) und der Universität Innsbruck haben gezeigt, dass bei Leuchtmitteln auf die raren seltenen Erden verzichtet werden kann ...

Leuchtdioden, die weißes Licht ausstrahlen sollen, brauchen dafür seltene Erden, wie Europium oder Cer. Deutsche und österreichische Forscher haben, als in vieler Hinsicht günstigere Alternative, nun aber das zweifach positiv geladene Manganion als Ersatz ausfindig gemacht ...(Bild: LED-King)
Leuchtdioden, die weißes Licht ausstrahlen sollen, brauchen dafür seltene Erden, wie Europium oder Cer. Deutsche und österreichische Forscher haben, als in vieler Hinsicht günstigere Alternative, nun aber das zweifach positiv geladene Manganion als Ersatz ausfindig gemacht ...
(Bild: LED-King)

Fast alle heute eingesetzten Leuchtdioden (LED) benötigen Leuchtstoffe auf Basis sogenannter seltener Erden, wie etwa Cer oder Europium, die aber teuer und aufwändig zu gewinnen sind. Nicht zuletzt hängt Europa von nur wenigen Exporteuren wie etwa China ab. Und übliche Weißlicht-LED bestehen aus einer blauen Halbleiter-LED, deren Licht durch zwei Schichten photoaktiver Materialien in einen grünen und einen roten Anteil umgewandelt wird. Mischen sich diese Lichtfarben, entsteht das gewünschte weiße Licht. Chemiker aus Düsseldorf und Innsbruck haben aber nun herausgefunden, dass man diese kritischen Rohstoffe durch Alternativen auf Manganbasis ersetzen kann, um weißes Licht zu erzeugen.

Umweltschonende Leuchtstoffalternative

Die Projektpartner identifizierten also das Übergangsmetall Mangan (kurz Mn) – genauer das zweifach positiv geladene Manganion, kurz Mn2+ als vielversprechend. Mangan ist im Gegensatz zu den Seltenen Erden nämlich sehr viel öfter in der Erdkruste zu finden und es kann leichter abgebaut und aus den Erzen gewonnen werden. Auch der Umgang mit dem Element ist einfacher, wie die Experten anmerken. Doch warum wurde Mangan nicht schon früher für LED eingesetzt? Die Erklärung: Ein fundamentaler Nachteil liegt darin, dass Mn2+ nur recht ineffizient absorbiert und deswegen die Lumineszenz (Leuchterscheinung durch äußere Anregung) nur verhältnismäßig langsam abklingt. Deshalb sind hohe Leistungsdichten nötig, um eine ausreichende Helligkeit zu erreichen. Das Mn4+-Ion hat es aber bereits in die Anwendung geschafft. Denn es emittiert in Fluoriden schmalbandig im roten Bereich, was meist in Displays für Monitore ausgenutzt wird. Allerdings werde bei der Herstellung der entsprechenden Leuchtstoffe mit der in der Anwendung heiklen Flusssäure gearbeitet, die sogar Glas angreift. Das Mn2+-Ion in Alkalilithosilicaten war demnach der Gegenstand der Forschung, weil es cyanfarbiges Licht emittiert, also eine Art Türkis.

Die richtige Kombination erzeugt weißes Licht

Dazu brauchte es bisher noch Europium. Doch anders als Europiumionen sind Manganionen sehr viel kleiner und flexibler in der Auswahl bestimmter Koordinationsgeometrien. Und Mn2+-Ionen leuchten im Umfeld von vier Sauerstoffatomen zwar schmalbandig grün, aber eher rot, wenn sie von sechs bis acht Sauerstoffatomen umgeben sind, wie es weiter heißt. Mit den richtigen strukturellen Details bleibe die Helligkeit der Lumineszenz thermisch sehr stabil. Das ist wichtig, weil LED mit solchen anorganischen Leuchtstoffen Betriebstemperaturen von rund 150 °C erreichen. Und zusammen mit dem blauen Licht der Halbleiter-LED kann man mit einem einzigen Leuchtstoff aus verfügbaren Rohstoffen weißes Licht effizient erzeugen. Die Forschenden erklären, dass in weiteren Untersuchungen nun die Leistungsdichten bestimmt werden müssen, die zu einer Anregung notwendig sind. Es geht darum, dass die neuartige LED in Sachen Helligkeit und Energiebedarf mit den herkömmlichen Systemen überhaupt konkurrieren kann.

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