Zweimal blau macht weiß

News: Zweimal blau macht weiß

Weiße Leuchtdioden gibt es seit Mitte der neunziger Jahre. Da sie im Vergleich zu herkömmlichen Glühlampen sparsamer im Energieverbrauch sind und obendrein noch wesentlich längere Lebensdauer besitzen, bieten Sie sich vielerorts als Ersatz für energiefressende Lichtspender an. Gegenüber ihren farbigen Kollegen war die weiße LED jedoch bislang sehr teuer in der Herstellung - dank der geschickten Kombination zweier organischer Verbindungen könnte sich das allerdings bald ändern.

Thorsten Krome

Die Glühlampe ist ohne Frage eine der wichtigsten Erfindungen des 19. Jahrhunderts, und entgegen landläufiger Meinung war es nicht der amerikanische Erfinder und Industrielle Thomas Edison, der als erster ein Glühfilament zum Leuchten brachte. Vielmehr befassten sich zu seiner Zeit eine ganze Reihe von Erfindern, Forschern und Bastlern mit der Idee, Licht mittels eines stromdurchflossenen, glühenden Leiters zu erzeugen.

So stellte bereits im Jahr 1854 der deutschstämmige Uhrmacher und Optiker Johann Goebel eine "leuchtende Flasche" her, in der er die verkohlten Fasern seines Bambusstocks durch Stromfluss aufleuchten ließ. Sie brannte immerhin bis zu 200 Stunden – fünfmal so lange wie das Exemplar, das Edisons 25 Jahre später entwickeln sollte. Edisons Verdienst war es jedoch, aus den Einzelstücken schnell ein gebrauchsfähigen Gegenstand zu enwickeln, und so stellte der findige Tüftler bald Glühlampen her, die gut 300 teilweise sogar 2000 Stunden brannten.

Heutige Glühbirnen haben eine Lebensdauer von rund 1000 Stunden. Ihr Prinzip hat sich seit Edisons Zeiten nicht wesentlich verändert: In einem evakuierten Glaskolben wird ein Metallfaden zum Glühen gebracht – aus heutiger Sicht ein wenig effizientes Prinzip, denn gerade mal zwei bis maximal fünf Prozent der elektrischen Energie wird in Licht umgewandelt, der Rest geht als Wärme verloren. Dahingegen bieten moderne Energiesparlampen eine Lebensdauer von rund 10 000 bis 15 000 Stunden bei einem Wirkungsgrad von bis zu 40 Prozent. Allerdings enthalten sie auch geringe Mengen an Quecksilber, Antimon, Blei oder Strontium und müssen deshalb nach ihrer Lebenszeit als Sondermüll entsorgt werden.

Seit Mitte der 90er Jahre steht nun aber auch eine weitere Möglichkeit zur Verfügung, weißes Licht zu erzeugen. So gelang es kurz nach der Entwicklung blauer Leuchtdioden (light emitting diode, LED), auch weiß strahlende Exemplare herzustellen. Um derartiges Licht zu erzeugen, müssen zwei oder mehr Farben additiv gemischt werden – dies hatte Newton bereits 1672 experimentell nachgewiesen. Rote, grüne und gelbe Leuchtdioden gab es zwar schon seit vielen Jahren, indes reichte diese Farbauswahl nicht, und erst mit der blauen LED ließ sich weißes Licht mischen. Dabei kombinierten die ersten Leuchtdioden tatsächlich noch das Licht mehrerer verschiedenfarbiger LEDs. Wenig später gelang es jedoch zeitgleich Forschern des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik und der japanischen Firma Nichia, weiß leuchtende LEDs aus einer emittierenden Komponente herzustellen.

Diese Leuchtdioden werden heute in Serie produziert und besitzen eine Lebensdauer von 100 000 Stunden. Sie halten also meist länger als das Gerät, in dem sie eingebaut sind. Schließlich ist der Wirkungsgrad mit etwa zehn Prozent etwas schlechter als der einer Energiesparlampe, liegt aber deutlich über dem einer Glühlampe. Die widerstandsfähige und vielseitige Bauform macht dieses Manko überdies in anderer Hinsicht wieder wett. Einzig der Preis der kleinen Lichtspender ist vergleichsweise hoch. Während die grünen, roten und gelben LEDs mittlerweile Pfennigartikel sind, kosten blaue etwas weniger und weiße etwas mehr als zwei Mark. Damit sind sie wirtschaftlich gesehen noch keine wirkliche Konkurrenz zur guten alten Glühbirne und eher speziellen Anwendungen vorbehalten.

Nun sieht es jedoch so aus, als hätten Forscher der University of Lecce den Schlüssel zu einem günstigeren Produktionsverfahren gefunden. Bislang bestehen Leuchtdioden in erster Linie aus kristallinen Halbeitern. Insbesondere für die blaue und die weiße LED sind dabei mehrere diffizile Herstellungsschritte notwendig, um den Cocktail verschiedener Materialien in der richtigen Mischung und Reihenfolge zu bereiten. Das macht die Produktion aufwendig und teuer. Julie Thompson und ihren Kollegen gelang hingegen in recht einfacher Weise, weißes Licht zu erzeugen.

Die Forscher brachten Kombinationen aus je zwei verschiedene organischen Verbindung mit einer Lackschleuder auf ein Quarzsubstrat auf. Alle verwendeten vier Moleküle neigten dabei zur Photolumineszenz im blauen Spektralbereich. Das heißt, regt man sie mit einem Laser an, dann emittieren sie Photonen mit charakteristischer Wellenlänge. Die Wissenschaftler fanden nun heraus, dass allein die Mischung der organischen Moleküle weißes Licht emittierte, also Photonen eines breiten Spektrums aussendete. Chemisch hatte sich jedoch nichts an den Ausgangsstoffen verändert, wie Untersuchungen des Absorptionsspektrums ergaben. Wie kann das sein, dass zwei blau leuchtende Moleküle in Gemeinschaft plötzlich weißes Licht abstrahlen?

Der Schüssel zum Verständnis liegt in der elektronischen Struktur der Moleküle. Für sich genommen haben sie jeweils ein höchstes, besetztes und darüber liegend ein tiefstes, unbesetztes Energieniveau. Elektronen die beispielsweise durch Anregung mit Licht auf das Höhere, unbesetzte angehoben werden, fallen nach kurzer Zeit wieder auf das Tiefere und geben die überschüssige Energie als Photon einer bestimmten Wellenlänge ab – Photolumineszenz eben. Die vier organischen Verbindungen haben nun sehr ähnliche Abstände zwischen ihren beiden Energiestufen – also emittieren sie auch Photonen vergleichbarer Wellenlänge. Jedoch liegen absolut gesehen die Energieniveaus auf unterschiedlicher Höhe.

So kann in der Nachbarschaft ein Elektron, welches in einem Molekül angeregt wurde, auf ein anderes Molekül überspringen. Dort verweilt es auf einem niedrigeren Energieniveau, ein Sprung zurück auf das Grundniveau des ersten Moleküls ist nun energetisch gesehen kürzer, als wäre es die ganze Zeit innerhalb des ersten Moleküls geblieben. Das Elektron hat also seinen Rückweg "abgekürzt", sodass schließlich ein Photon geringerer Energie also mit entsprechend rot verschobenem Spektrum emittiert wird. Ein derartige Bildung von kombiniert angeregten Zuständen nennt man auch Exciplex (von excited complex "angeregter Komplex").

Die Mischung von blauen Photonen mit solchen anderer Wellenlänge lässt das emittierte Licht schließlich weiß erscheinen. Wenngleich im Experiment von Thompson und ihren Kollegen die Anregung noch nicht elektrisch erfolgte, sondern mit einer Lichtquelle, so ist die Arbeit doch recht vielversprechend: Denn Elektrolumniszenz, wie man sie bei Leuchtdioden verwendet, und Photolumineszenz, wie sie die Forscher nun im Experiment nachwiesen, sind zwei verwandte Prozesse. So ist denkbar, dass in Zukunft tatsächlich ein Großteil der Beleuchtung durch sparsame und langlebige weiße Leuchtdioden ersetzt wird. Edisons Glühlampe hätte dann ausgedient.