Bunt und ungiftig: Leuchtdioden aus Silizium 14.02.2013, 13:50 Uhr

Karlsruher Forscher finden völlig neuen Weg in der Lichttechnik

Sie sind winzig klein: Nanokristalle aus Silizium bestehen nur aus hundert bis tausend Atomen. Und doch können diese Zwergkristalle als hocheffiziente Lichtquelle dienen.

Flüssigprozessierte SiLEDs: Die Änderung der Größe der Silizium-Nanokristalle ermöglicht es, die Farbe des ausgesandten Lichts zu variieren.

Flüssigprozessierte SiLEDs: Die Änderung der Größe der Silizium-Nanokristalle ermöglicht es, die Farbe des ausgesandten Lichts zu variieren.

Foto: F. Maier-Flaig, KIT/LTI

Die Stoffe klingen ziemlich giftig – und sie sind es auch: Cadmiumselenid, Cadmiumsulfid oder Bleisulfid. Wenn von Ausgangsmaterialien für Leuchtdioden (LED steht für Licht Emittierende Diode) die Rede ist, sind eigentlich auch immer Gifte, hier Schwermetalle, im Spiel. Eine interdisziplinäre Forschergruppe um Professor Uli Lemmer und Professorin Anni K. Powell vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat jetzt einen völlig neuen Weg gefunden, Leuchtdioden herzustellen. Diese sind ungiftig und können Licht in den unterschiedlichsten Farben emittieren.

LED-Licht gehört die Zukunft

LEDs gelten als das Licht der Zukunft: Sie verbrauchen wenig Energie, sie haben eine große Lebensdauer und sie sind sehr lichtstark. Und es hat sich enorm viel getan bei den kleinen leuchtenden Dioden. Gab es lange Zeit nur LEDs als roten Leuchtpunkt für die Betriebsanzeige elektrischer Geräte wie Fernseher oder Musikanlagen, so ist es heute möglich, durch geschickte Auswahl der eingesetzten Halbleitermaterialien jede Lichtfarbe zu erzeugen. Selbst weißes Licht stellt inzwischen kein Problem mehr dar, weiße LEDs sind heute handelsüblich und in jedem Baumarkt erhältlich. Und zwar im tageslichtähnlichen“ kaltweiß“ ebenso wie im glühlampenlichtähnlichen „warmweiß“.

Eine bunte Truppe aus Chemikern, Material- und Nanowissenschaftlern sowie Experten der Optoelektronik haben nun einen Trick gefunden, wie das eigentlich für Leuchtdioden ungeeignete Silizium plötzlich in neuem Licht erstrahlt. Sie haben Nanokristalle aus Silizium gezüchtet. Diese Nanokristalle erweisen sich als hocheffiziente Lichtemittenden. Silizium ist aus der Welt der Computer und der Photovoltaik nicht wegzudenken, in der Welt der Lichttechnik galt Silizium bisher allenfalls als tauglich für Leuchtdioden im roten sichtbaren Spektralbereich und im Bereich des nahen Infrarots.

Die Größe der Nanokristalle bestimmt die gewünschte Lichtfarbe

Durch einen ganz besonderen Kniff können die Karlsruher Forscher nun aber Silizium-Leuchtdioden dazu bringen, Licht in jeder denkbaren Farbe abzugeben. Sie trennen dazu die Nanopartikel nach ihrer Größe auf. Je nach Größe strahlen die so hergestellten Leuchtdioden in der jeweils gewünschten Farbe. „Die Herstellung von Leuchtdioden, welches Licht in den verschiedensten Farben emittiert, ist ein absolutes Novum“, erklärt Florian Maier-Flaig, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lichttechnischen Institut des KIT in Karlsruhe.

Die gezielte Sortierung nach Größe beschert den Silizium-Leuchtdioden dazu eine bisher nicht erreichte Lebensdauer, weil die empfindlichen Dünnschichtbauteile so länger halten. Kurzschlüsse durch übergroße Partikel werden so zum Beispiel vermieden. Ein weiterer Vorteil ist die Homogenität der leuchtenden Flächen, die die Karlsruher Forscher in einem flüssigkeitsbasierten Prozess herstellen. „Mit den flüssigprozessierten Silizium-Leuchtdioden, welche potenziell ebenso großflächig wie kostengünstig herstellbar sind, betritt die Nanopartikel-Community wirkliches Neuland, deren Potenzial heute nur schwer abzuschätzen ist, sagt Professor Geoffrey A. Ozin von der am Forschungsprojekt beteiligten Universität in Toronto und fügt prophetisch hinzu: „Vermutlich aber müssen Lehrbücher über Halbleiterbauteile neu geschrieben werden.“

Mit Silizium als Ausgangsmaterial für Leuchtdioden scheinen die Forscher aus Karlsruhe tatsächlich so etwas wie den Stein der Weisen für die Lichttechnik gefunden zu haben: Silizium ist ungiftig, es ist nicht teuer und es gibt es im wörtlichen Sinne wie Sand am Meer.

Von Detlef Stoller
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