Leuchtdioden (LEDs) sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken – sie sind energieeffizient, flexibel und eine Schlüsseltechnologie für nachhaltige Beleuchtung. Doch die Produktion moderner Weißlicht-LEDs hat einen Haken: Sie basiert auf Leuchtstoffen mit Seltenen Erden wie Europium oder Cer, die teuer, aufwändig zu gewinnen und geopolitisch heikel sind, da sie vor allem in China abgebaut werden. Ein Forschungsteam der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) und der Universität Innsbruck hat nun einen vielversprechenden Alternativansatz entwickelt: Mangan. In der Fachzeitschrift Angewandte Chemie zeigen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, dass mit einem einzigen Mangan-basierten Leuchtstoff weißes Licht erzeugt werden kann.
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Der aktuelle Stand der LED-Technologie
Weißlicht-LEDs funktionieren heute meist durch eine blaue Halbleiter-LED, deren Licht durch zwei Schichten photoaktiver Materialien in grünes und rotes Licht umgewandelt wird. Die Mischung dieser Farben ergibt weißes Licht. Die dafür verwendeten Leuchtstoffe enthalten fast ausschließlich Seltene Erden, deren Gewinnung kostspielig ist und strategische Abhängigkeiten schafft.
Mangan als Alternative
Das Team um Jun.-Prof. Dr. Markus Suta (HHU) und Prof. Dr. Hubert Huppertz (Universität Innsbruck) hat das Übergangsmetall Mangan, genauer das Mn2+-Ion, als Alternative identifiziert. Mangan ist im Gegensatz zu Seltenen Erden weit verbreitet, leicht abzubauen und einfach zu verarbeiten. Doch warum wurde Mangan nicht schon früher genutzt? „Mn2+ absorbiert nur ineffizient, und die Lumineszenz klingt langsam ab“, erklärt Prof. Suta. „Das erfordert hohe Leistungsdichten, um ausreichende Helligkeit zu erzielen.“ Mn4+-Ionen hingegen werden bereits in Displays eingesetzt, jedoch ist deren Herstellung mit Flusssäure problematisch.
Durchbruch mit Alkalilithosilicaten
Die Forschenden untersuchten die Lumineszenz von Mn2+-Ionen in Alkalilithosilicaten, einer Verbindungsklasse, die bereits zuvor als potenzieller Schmalbandemitter bekannt war. „Mn2+-Ionen sind kleiner und flexibler als Europium-Ionen“, erklärt Suta. „In einer Umgebung mit vier Sauerstoffatomen leuchten sie schmalbandig grün, bei sechs bis acht Sauerstoffatomen eher rot. Mit der richtigen Struktur bleibt die Lumineszenz auch bei hohen Betriebstemperaturen von etwa 150 °C stabil.“
Prof. Huppertz betont den Vorteil: „Mit nur einem Mangan-basierten Leuchtstoff und dem blauen Licht der Halbleiter-LED kann effizient weißes Licht erzeugt werden.“ Bisher waren dafür zwei verschiedene Europium-basierte Leuchtstoffe nötig. Dies könnte die Produktion vereinfachen und die Farbabstimmbarkeit verbessern.
Herausforderungen und Ausblick
Trotz des Erfolgs stehen weitere Untersuchungen an. „Wir müssen prüfen, ob die Helligkeit und der Energieverbrauch einer Mangan-basierten LED mit heutigen Standards konkurrieren können“, sagt Prof. Huppertz. Die benötigten Leistungsdichten für die Anregung der Leuchtstoffe sind noch ein kritischer Punkt.
Fazit
Die Entdeckung des Forschungsteams könnte einen wichtigen Schritt hin zu nachhaltigeren und unabhängigeren LEDs bedeuten. Mangan als weit verbreitetes und einfach zu gewinnendes Material könnte die Abhängigkeit von Seltenen Erden verringern und die LED-Produktion revolutionieren – vorausgesetzt, die technischen Hürden werden gemeistert. Die Forschung zeigt einmal mehr, wie innovative Ansätze die Technologien von morgen prägen können.
