Die Imitation des Sonnenlichts

Als Lichtquelle sind Leuchtdioden um einiges effizienter als Glühbirnen, aber ihr Licht ist nicht ebenso hübsch anzusehen. Hier wollen Forscher Abhilfe schaffen, indem sie Zinkoxid-Kristalle so herstellen, dass sie nicht nur zur Emission von rotem und blauen sondern auch grünem Licht geeignet sind - so könnte dann jede beliebige Farbe erzeugt werden.

Zinkoxid-Kristalle
Zinkoxid-Kristalle

Berlin - Die Effizienzen herkömmlicher Leuchtdioden (LEDs) von bis zu 80 Lumen pro Watt sind im Vergleich zu Glühbirnen mit etwa 12 Lumen pro Watt sehr hoch. Allerdings emittieren LEDs das Licht in einem begrenzten Spektralbereich in Abhängigkeit von dem verwendeten Halbleitermaterial. Dies führt zu einer geringeren Lichtqualität, die oft bemängelt wird. Doch Zinkoxid soll nun das Material sein, das für die Herstellung von Leuchtdioden mit allen sichtbaren Wellenlängen geeignet ist.

Das Licht der Sonne setzt sich aus rotem, grünem und blauem Licht zusammen - mit sämtlichen Zwischentönen. Und die Emission solch eines Lichts ist das Ziel bei der Entwicklung neuer Materialien zum Bau von Leuchtdioden. Bis jetzt senden LEDs nahezu monochromatisches Licht aus, das bedeutet das emittierte Licht verfügt nur über ein schmales Spektrum im Bereich der Wellenlängen. Weißes Licht wird entweder dadurch erzeugt, dass verschiedenfarbige LEDs so kombiniert werden, dass sich ihr Licht mischt und als weiß erscheint; oder eine zumeist blaue LED wird mit einer Fluroeszenz-Schicht versehen, die als Wellenlängen-Konverter wirkt.

Die Lichtqualität dieses "zusammengebastelten" weißen Lichts unterscheidet sich allerdings immer noch stark von natürlichem Sonnenlicht oder dem Licht der Glühbirne. So hat das durch eine gelblich leuchtende Fluoreszenzschicht "gefärbte" blaue Licht eine schlecht Rotwiedergabe. Das durch die Kombination von roten, grünen und blauen LEDs erzeugte Licht besteht nur aus drei relative schmalen Spitzen im Spektrum, was die Qualität der Farbwiedergabe ebenfalls vermindert.

Forscher vom Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) sollen nun ein Prinzip entwickelt haben, um Zinkoxid-Kristalle so herzustellen, dass sie als breitbandige Halbleiter fungieren und Licht in allen sichtbaren Wellenlängen emittieren können. Die Herausforderung hierbei liegt allerdings bei dem Produktionsprozess eines reinen Zinkoxid-Kristalls, da Zinkoxid beim Erhitzen normalerweise sofort verdampft und die zur Bildung der Kristallstruktur notwendige flüssige Phase somit "überspringt".

Hier hat Detlef Klimm vom IKZ eine Lösung gefunden: „Ein leichter Überdruck reicht, damit es beim Erhitzen von Zinkoxid einen flüssigen Zustand gibt.“ Der Schmelzpunkt liegt bei fast 2000 Grad Celsius. Daraus ergibt sich ein weiteres Problem: Der Schmelztiegel darf auch bei großer Hitze nicht selber schmelzen, und er darf nicht mit dem Material reagieren, denn sonst ist der Kristall nicht rein. Ein gutes Tiegelmaterial ist Iridium. Es ist hitzebeständig und chemisch stabil. Allerdings reagiert Iridium leicht mit Sauerstoff. Sauerstoff liegt zwar eigentlich gar nicht vor, doch zerfällt das Zinkoxid beim Erhitzen leicht in Zink und Sauerstoff, und reagiert wieder zu Zinkoxid. Ein solches Hin- und Herschaukeln nennen die Chemiker Gleichgewichtsreaktion. „Bei hohen Temperaturen macht das nichts aus“, erläutert Klimm. „Das Iridium oxidiert nur bei niedrigen Temperaturen. Doch da müssen wir eben durch.“

Die Idee zur Lösung des Problems: Wenn die Umgebung bei hohen Temperaturen mit Sauerstoff übersättigt wäre, würde das Zinkoxid nicht mehr  so leicht zerfallen. Bei tieferen Temperaturen darf hingegen kein Sauerstoff vorhanden sein, denn sonst würde er den Iridium-Tiegel verbrennen. Also hat Klimm als Atmosphäre Kohlendioxid in den Tiegel gegeben, das dieselbe Gleichgewichtsreaktion wie das Zinkoxid aufweist. Im Laufe der Erhitzung zerfällt das Kohlendioxid in CO und Sauerstoff, in der Atmosphäre ist dann viel Sauerstoff enthalten, und der Zerfall des Zinkoxids wird gehemmt. Beim Abkühlen wird überschüssiger Sauerstoff wieder durch das CO gebunden und somit das Verbrennen des Iridiums verhindert. So kann ein reiner Kristall entstehen, den kein Iridium „verschmutzt“.

Klimm hat in Versuchen gezeigt, dass das Prinzip funktioniert. Somit ist die Herstellung reiner Zinkoxid-Kristalle möglich und die Produktion breitbandiger Halbleiter aus eben diesen Kristallen kann in Angriff genommen werden, damit LEDs in Zukunft wie die Sonne strahlen.