Fast alle aktuellen Leuchtdioden (LEDs) benötigen Leuchtstoffe auf Basis seltener Erden wie Europium oder Cer. Diese Materialien sind nicht nur teuer, sondern auch aufwendig zu gewinnen, da die Rohstoffvorkommen hauptsächlich in China liegen. Ein interdisziplinäres Forschungsteam der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf und der Universität Innsbruck hat nun eine vielversprechende Alternative entwickelt: Mangan. Laut der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf ermögliche Mangan die Herstellung eines neuen, effizienten Leuchtstoffs, der weißes Licht erzeugen kann.
In der Fachzeitschrift *Angewandte Chemie* wurde nachgewiesen, dass das zweifach positiv geladene Manganion (Mn2+) in der Lage ist, cyanfarbenes Licht zu emittieren und somit in Kombination mit blauen Halbleiter-LEDs weißes Licht zu erzeugen. Diese Entwicklung könnte die Abhängigkeit der LED-Technologie von seltenen Erden erheblich reduzieren, da Mangan in der Erdkruste weit verbreitet und leicht abzubauen ist, wie auch Maschinenmarkt hervorhebt.
Die Vorteile von Mangan
Manganionen sind nicht nur häufiger als die bislang verwendeten Elemente, sondern bieten auch Vorteile in der Flexibilität der Koordinationsgeometrien. Während die Lumineszenz von Mn2+ thermisch stabil bleibt und hohe Temperaturen von bis zu 150 °C aushält, zeigt der Einsatz in LEDs auch Herausforderungen. Ein Hauptnachteil des Mn2+ ist seine ineffiziente Absorption, die hohe Leistungsdichten benötigt, um ausreichende Helligkeit zu erzielen. Die Forscher unter der Leitung von Jun.-Prof. Dr. Markus Suta und Prof. Dr. Hubert Huppertz arbeiten daran, die erforderlichen Leistungsdichten zu ermitteln, um mit bestehenden Technologien konkurrenzfähig zu sein.
Eine erkennbare Herausforderung in der Umsetzung liegt auch in der Lumineszenzfarbe. Manganionen können in Abhängigkeit von der Anzahl der umgebenden Sauerstoff-Atome unterschiedliche Farben (grün oder rot) ausstrahlen, wie die Universität Innsbruck in ihrer Berichtserstattung beschreibt. Dies gestattet eine modulierte Lichtausstrahlung, die für verschiedene Anwendungen vorteilhaft sein könnte.
Zusammenfassung und Ausblick
Doch nicht nur die Verwendung von Mangan als Leuchtstoff steht im Fokus der Forschung. Erstmals wurde 2019 die Substanz Zn[B2(SO4)4] entdeckt, die in Kombination mit Manganchlorid als „feste Lösung“ verarbeitet werden kann. Diese neuen Ansätze zeigen, dass Mangan nicht nur als kostengünstige, alternative Ausgangsressource für LEDs dient, sondern auch die Entwicklung innovativer Materialien vorantreibt. Für die Schaffung hocheffizienter LEDs sind jedoch weitere Untersuchungen notwendig, um die genauen Eigenschaften der Mangan-aktivierten Leuchtstoffe zu ermitteln.
Insgesamt könnte die Forschung um Mangan die LED-Technologie revolutionieren und die Abhängigkeit von kostspieligen und umweltschädlichen Rohstoffen verringern. Somit stehen die Forscher vor der Herausforderung, die Ergebnisse weiter zu optimieren und die Teilsysteme in eine marktfähige Form zu bringen.
