08 Juli Weißlicht-LEDs ohne seltene Erden
Die in den aktuellen LEDs genutzten Leuchtstoffe enthalten fast ausnahmslos Elemente der seltenen Erden, beispielsweise Europium oder Cer. Diese Elemente zu gewinnen ist jedoch kostspielig. Vor allem werden sie nur in wenigen Weltregionen in großem Maßstab abgebaut, vor allem in China. Dies birgt erhebliche strategische Nachteile.
Vielversprechendes Übergangsmetall Mangan
Ein Forschungsteam um Jun.-Prof. Dr. Markus Suta von der Arbeitsgruppe Anorganische Photoaktive Materialien der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf und Prof. Dr. Hubert Huppertz vom Institut für Anorganische und Theoretische Chemie der Universität Innsbruck suchte nun nach breiter verfügbaren und leichter zu verarbeitenden Alternativen. Sie identifizierten das Übergangsmetall Mangan (Mn) – genauer das zweifach positiv geladenen Manganion Mn2+ – als vielversprechend. Mangan ist, im Gegensatz zu den seltenen Erden, sehr viel weiter in der Erdkruste verbreitet, es kann leicht abgebaut und aus den Erzen gewonnen werden, und auch der Umgang ist einfach.
Doch warum wurde Mangan nicht schon früher für LEDs eingesetzt? Dazu Suta: „Ein fundamentaler Nachteil liegt darin, dass Mn2+ nur recht ineffizient absorbiert und deswegen die Lumineszenz verhältnismäßig langsam abklingt. Daher sind hohe Leistungsdichten nötig, um eine ausreichende Helligkeit zu erreichen.“ Das Ion Mn4+ hingegen hat es bereits in die Anwendung geschafft, es emittiert in Fluoriden schmalbandig im roten Bereich. Dies wird meist in Displays für Monitore ausgenutzt. Allerdings wird bei der Herstellung der entsprechenden Leuchtstoffe mit der in der Anwendung heiklen Flusssäure gearbeitet.
Grün und Rot aus einem Element
Die Forschenden berichten nun über ihre Untersuchung zur Lumineszenz – der Strahlungscharakteristik – einer besonderen Verbindung: des Mn2+-Ions in sogenannten Alkalilithosilicaten. Diese Verbindungsklasse wurde bereits vor einigen Jahren als potenziell vielversprechende Kandidaten für Cyan-emittierende Schmalbandemitter für Displays identifiziert, damals aber noch mit Europium als Emitter.
Suta: „Mn2+-Ionen leuchten im Umfeld von vier Sauerstoff-Atomen schmalbandig grün, aber eher rot, wenn sie von sechs bis acht Sauerstoff-Atomen umgeben sind. Mit den richtigen strukturellen Details bleibt die Helligkeit der Lumineszenz thermisch sehr stabil. Das ist wichtig, da LEDs mit solchen anorganischen Leuchtstoffen Betriebstemperaturen von rund 150 °C erreichen.“
Weißlicht-LEDs ohne Seltenerd-Element
Huppertz nennt einen weiteren Vorteil: „Zusammen mit dem blauen Licht der Halbleiter-LED kann somit mit einem einzigen Leuchtstoff aus verfügbaren Rohstoffen effizient weißes Licht generiert werden.“ Derzeit werden hierzu zwei verschiedene Europium-basierte Leuchtstoffe gemischt. Suta ergänzt: „So kann also potenziell eine Weißlicht-emittierende LED mit guter Farbabstimmbarkeit geschaffen werden.“
Eine Frage der Leistungsdichte
Die Forschenden betonen, dass in weiteren Untersuchungen die Leistungsdichten bestimmt werden müssen, die zu einer Anregung notwendig sind. Huppertz: „Wir müssen sehen, ob die Helligkeit und der Leistungsverbrauch einer auf unserem Konzept basierenden LED mit Mangan-aktiviertem Leuchtstoff tatsächlich konkurrenzfähig gegenüber den heutigen LEDs ist.“
Originalpublikation:
[L. M. Träger, J. I. Ekeya, A. Liesenfeld, M. Wieczorek, H. Huppertz, M. Suta. Mn2+-Activated Alkali Lithooxidosilicate Phosphors as Sustainable Alternative White-Light Emitters. Angew. Chem. 2025, Early View, e202504078; Angew. Chem. Int. Ed. 2025, Early View, e202504078, DOI: 10.1002/anie.202504078]
Quelle: www.hhu.de
Bild: M. Träger et al., Angewandte Chemie International Edition, Wiley-VCH