Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie das Licht der Sonne

12.06.2009
Leuchtdioden liefern sehr energieeffizientes Licht. Könnte man sie zur Beleuchtung einsetzen, würde das eine Menge Energie sparen.

Bisher gelingt es zwar, rote und blaue LEDs herzustellen, doch fehlen derzeit noch grüne LEDs, um das Spektrum des Tageslichts nachzuempfinden und damit weißes Licht zu erzeugen. Zinkoxid könnte diese Lücke schließen.

Die Zeiten, in denen Fahrradfahrer nachts mit ihrem schwachen dynamobetriebenen Licht leicht zu übersehen waren, sind vorbei. Heutzutage blinkt und leuchtet es einem schon von weitem entgegen. Das weiße Vorderlicht ist dabei besonders grell, es erscheint eher blau als weiß. Das Wohnzimmer möchte sich mit diesem Licht wohl niemand beleuchten.

Das Licht der Sonne setzt sich aus rotem, grünem und blauem Licht zusammen - mit sämtlichen Zwischentönen. Grün ist in dem Spektrum am meisten vertreten. Bisher wird zur Herstellung von Leuchtdioden Galliumarsenid (GaAs) für rotes Licht und Galliumnitrid (GaN) für blaues Licht verwendet.

Diese beiden Halbleitermaterialien bilden auch die Grundlage für Fahrradlampen. Da das grüne Lichtspektrum fehlt, empfinden wir das Licht als kalt und unnatürlich. Dr. Detlef Klimm und seine Mitarbeiter vom IKZ entwickeln derzeit ein Material, das für Leuchtdioden mit allen sichtbaren Wellenlängen geeignet ist. Die Physiker nennen solche Materialien breitbandige Halbleiter.

Ein solch breitbandiger Halbleiter ist das Zinkoxid (ZnO). Es hat eine relativ einfache Kristallstruktur und eignet sich daher gut für den Bau von Leuchtdioden. Die Schwierigkeit besteht darin, einen reinen Zinkoxid-Kristall herzustellen. Zinkoxid liegt gewöhnlich als weißes Pulver vor, es ist zum Beispiel in Salben zur Wundheilung enthalten.

Normalerweise gehen die Wissenschaftler zur Herstellung eines Kristalls so vor: In einem Tiegel schmelzen sie das Material. Damit sich während des Abkühlens beim Übergang von der flüssigen zur festen Phase die gewünschte Kristallstruktur bildet, befindet sich am Boden des Topfes schon ein kleiner fertiger Kristall, der "Keim", an dessen Gitterstruktur die Moleküle beim Abkühlen andocken. So setzt sich die Struktur immer weiter fort.

Beim Zinkoxid funktioniert das nicht so einfach, da es beim Erhitzen direkt verdampft, ohne vorher flüssig zu werden. Doch Detlef Klimm weiß dafür eine Lösung: "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, etwas kniffligeres 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." Klimms Idee zur Lösung des Problems ist so genial wie einfach: 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 und hat ein Patent darauf. Nun geht es darum, noch weiter zu tüfteln und das Verfahren zu optimieren. Derzeit wird eine neue Anlage in Betrieb genommen, in der es nur minimale Temperaturschwankungen gibt, so dass keine Risse im Kristall entstehen.

Das Verfahren ist aber schon so weit entwickelt, dass Klimm und seine Mitarbeiter mit der Berliner Firma CrysTec einen Industriepartner gefunden haben, der aus den im IKZ hergestellten Zinkoxid-Kristallen Wafer herstellt und kommerziell vertreibt. Nun wird noch ein Partner für den übernächsten Schritt gesucht, nämlich die Herstellung von Leuchtdioden aus Zinkoxid.

Kontakt:
Dr. habil. Detlef Klimm
Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ)
Max-Born-Straße 2
12489 Berlin
Telefon: (030) 6392-3024
E-Mail: klimm@ikz-berlin.de

Gesine Wiemer | idw
Weitere Informationen:
http://www.ikz-berlin.de
http://www.fv-berlin.de/pm_archiv/2009/21-sonnenlicht.html

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Scharfe Röntgenblitze aus dem Atomkern
17.08.2017 | Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg

nachricht Optische Technologien für schnellere Computer / „Licht“ mit Wespentaille
16.08.2017 | Universität Duisburg-Essen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Im Focus: Exotic quantum states made from light: Physicists create optical “wells” for a super-photon

Physicists at the University of Bonn have managed to create optical hollows and more complex patterns into which the light of a Bose-Einstein condensate flows. The creation of such highly low-loss structures for light is a prerequisite for complex light circuits, such as for quantum information processing for a new generation of computers. The researchers are now presenting their results in the journal Nature Photonics.

Light particles (photons) occur as tiny, indivisible portions. Many thousands of these light portions can be merged to form a single super-photon if they are...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Einblicke ins menschliche Denken

17.08.2017 | Veranstaltungen

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

Sensibilisierungskampagne zu Pilzinfektionen

15.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Scharfe Röntgenblitze aus dem Atomkern

17.08.2017 | Physik Astronomie

Fake News finden und bekämpfen

17.08.2017 | Interdisziplinäre Forschung

Effizienz steigern, Kosten senken!

17.08.2017 | Messenachrichten