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Chemie: Veröffentlichung in Angewandte Chemie
Fast alle heute eingesetzten Leuchtdioden benötigen Leuchtstoffe auf Basis sogenannter Seltener Erden, die teuer und aufwändig zu gewinnen sind. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) und der Universität Innsbruck haben Chemikerinnen und Chemiker nun gezeigt, dass auch das Element Mangan prinzipiell für solche Anwendungen geeignet ist. In der Fachzeitschrift Angewandte Chemie zeigen sie, dass mit diesem Ansatz weißes Licht mit einem einzigen Mangan-basierten Leuchtstoff erzeugt werden kann.
Leuchtdioden, kurz LEDs, sind energieeffizient und flexibel und damit eine Schlüsseltechnologie für nachhaltige Beleuchtungen. Heutige Weißlicht-LEDs bestehen typischerweise aus einer blauen Halbleiter-LED, deren Licht dann durch zwei Schichten photoaktiver Materialien in zum einen in grünes und zum anderen in rotes Licht umgewandelt wird. Mischen sich diese Lichtfarben, entsteht das gewünschte weiße Licht.
Die in den aktuellen LEDs genutzten Leuchtstoffe enthalten fast ausnahmslos Stoffe Elemente der Seltenen Erden wie beispielsweise Europium oder Cer. Diese Elemente zu gewinnen ist jedoch kostspielig. Vor allem werden sie in wenigen Weltregionen in großem Maßstab abgebaut, vor allem in China. Dies birgt erhebliche strategische Nachteile.
Ein Forschungsteam um Jun.-Prof. Dr. Markus Suta (Arbeitsgruppe Anorganische Photoaktive Materialien der HHU) und Prof. Dr. Hubert Huppertz (Institut für Anorganische und Theoretische Chemie der Universität Innsbruck) suchte nun nach breiter verfügbaren und leichter zu verarbeitenden Alternativen. Sie identifizierten das Übergangsmetall Mangan (kurz Mn) – genauer das zweifach positiv geladenen Manganion, kurz 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 Prof. 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.
In der renommierten Fachzeitschrift Zeitschrift „Angewandte Chemie“ berichten die Forschenden nun über ihre Untersuchung zur Lumineszenz – der Strahlungscharakteristik – einer besonderen Verbindung: des Mn2+-Ions in sogenannten Alkalilithosilicaten. Diese Verbindungsklasse wurde bereits vor einigen Jahren von der Arbeitsgruppe von Prof. Huppertz als potenziell vielversprechende Kandidaten für cyan-emittierende Schmalbandemitter für Displays identifiziert, damals aber noch mit Europium als Emitter.
Prof. Suta: „Anders als Europium- sind Manganionen sehr viel kleiner und flexibler in der Auswahl bestimmter Koordinationsgeometrien. 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.“
Prof. 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.“
Die Forschenden betonen, dass in weiteren Untersuchungen die Leistungsdichten bestimmt werden müssen, die zu einer Anregung notwendig sind. Prof Huppertz abschließend: „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.“
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
Kristallstruktur eines Alkalilithooxidosilikates, die Lagebesetzung von Mn2+ und die daraus resultie ...
Copyright: © 2025 L. M. Träger et al., Angewandte Chemie International Edition published by Wiley-VCH GmbH
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Journalists, Scientists and scholars
Chemistry, Electrical engineering, Physics / astronomy
transregional, national
Research results, Scientific Publications
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