Fast alle heute eingesetzten Leuchtdioden (LEDs) 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 jedoch gezeigt, dass auch das Element Mangan grundsätzlich für solche Anwendungen geeignet ist. Sie präsentieren die Erkenntnis, dass mit diesem Ansatz weißes Licht mit nur einem manganbasierten Leuchtstoff erzeugt werden kann.
LEDs sind energieeffizient und flexibel, weshalb sie eine Schlüsseltechnologie für nachhaltige Beleuchtungen darstellen. Heutige Weißlicht-LEDs bestehen typischerweise aus einer blauen Halbleiter-LED, deren Licht durch zwei Schichten photoaktiver Materialien in grünes und rotes Licht umgewandelt wird. Wenn sich diese Lichtfarben mischen, entsteht das gewünschte weiße Licht.
Die in den aktuellen LEDs verwendeten Leuchtstoffe enthalten fast ausnahmslos Elemente der Seltenen Erden, wie beispielsweise Europium oder Cer. Die Gewinnung dieser Stoffe ist jedoch kostspielig und erfolgt vor allem in wenigen Regionen der Welt, insbesondere in China, was erhebliche strategische Nachteile mit sich bringt.
Mangan als nachhaltige Alternative
Ein Forschungsteam um Jun.-Prof. Dr. Markus Suta von der Arbeitsgruppe für Anorganische Photoaktive Materialien an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf sowie Prof. Dr. Hubert Huppertz vom Institut für Anorganische und Theoretische Chemie der Universität Innsbruck suchte daher nach Alternativen, die breiter verfügbar und leichter zu verarbeiten sind. Dabei identifizierten sie das Übergangsmetall Mangan, genauer gesagt das zweifach positiv geladene Manganion Mn²⁺, als vielversprechenden Kandidaten. Im Gegensatz zu den Seltenen Erden ist Mangan deutlich häufiger in der Erdkruste vertreten, kann leicht abgebaut und aus Erzen gewonnen werden, und auch der Umgang damit gestaltet sich unkompliziert.
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.
Manganionen in Alkalilithosilicaten für effiziente, thermisch stabile Weißlicht-LEDs
Die Forschenden berichten 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 weisen darauf hin, 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.“
Quelle
Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (06/2025)
Publikation
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
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202504078