Grü­nes Licht aus neuen Quel­len

Grüne Lumineszenz, wie sie etwa für die allgegenwärtigen Weißlicht-LEDs benötigt wird, stammt aktuell vorwiegend von Leuchtstoffen mit der altbekannten Granatstruktur. In Zeiten von hohen Energiepreisen und politischen Spannungen, die den Zugang zu bestimmten Rohstoffen erschweren können, wäre es hier von Vorteil, eine Alternative mit niedrigerer Synthesetemperatur und anderer Zusammensetzung in der Hand zu haben.

Nun ist es Kilian Rießbeck aus der Arbeitsgruppe von Hubert Huppertz gelungen erste Vertreter einer neuartigen Substanzklasse zu synthetisieren, die trotz völlig anderer Zusammensetzung dem industriellen Standard Konkurrenz machen können. Ermöglicht wird dies durch Materialien aus der Substanzklasse der Lithium Seltenerd Oxonitridolithosilikate, die noch dazu in einem völlig neuen Strukturtyp kristallisieren.

Basierend auf den vielbeachteten Resultaten im Bereich der Alkalilithosilikate, entwickelten ForscherInnen des Instituts für Allgemeine, Anorganische und Theoretische Chemie Rezepturen und Synthesewege, um diese Stoffklasse weiterzuentwickeln. Ziel war es dabei einerseits Stickstoff als weiteres Anion neben Sauerstoff zu integrieren und andererseits mit geringem Anteil an Seltenerd-Ionen bereits im Wirtsgitter die optimalen Voraussetzungen zu schaffen, hier später mit Aktivatoren die ebenfalls der Gruppe der Seltenerd-Metalle entstammen teilweise substituieren zu können.

Der nun präsentierte Strukturtyp erweist sich als höchst vielseitig und tolerant für Substitutionen, sodass bereits 13 verschiedenen Verbindungen mit diesem Strukturtyp synthetisiert werden konnten. Dass die Aktivatorposition quadratisch antiprismatisch von je 4 Sauerstoff- und Stickstoffanionen koordiniert ist, stellt ebenfalls ein Novum dar, das in der Publikation mit bereits bekannten Koordinationssphären verglichen wird. Charakteristisch für die Verbindungen ist zudem der Aufbau aus Tetraederschichten, wobei Silikat-Viererringe jeweils durch Lithium-Tetraeder verknüpft sind.

Um das Potential der neuen Verbindungen noch besser einschätzen zu können, wurden in einer Kooperation mit Markus Suta von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf hochaufgelöste und temperaturabhängige photolumineszenzspektroskopische Messungen durchgeführt, die tiefere Einblicke in den Mechanismus liefern, der für die grüne Lumineszenz dieser Materialien verantwortlich ist. Zudem konnten so deutliche Hinweise darauf gefunden werden, dass bei einer Industrialisierung des Leuchtstoffes sehr hohe Effizienzen zu erwarten sind.

Da das übergreifende Forschungsvorhaben zusammen mit dem Projektpartner ams OSRAM durchgeführt wurde, konnte auch gleich eine Prototyp-LED mit dem neuen Leuchtstoff hergestellt und charakterisiert werden, die unterstreicht, dass die neuentwickelten Materialien konkurrenzfähig zum Marktstandard Granat sind. Die genannten Resultate wurden in der renommierten Fachzeitschrift Advanced Functional Materials veröffentlicht und mit einem Coverbild gewürdigt. Weitere Publikationen zu diesem Thema sollen folgen.

Publikation: K. M. Rießbeck, M. Seibald, C. Stoll, A. Köbler, M. Suta, H. Huppertz: Ce3+‐Activated Lithium Rare‐Earth Oxonitridolithosilicates: A New Class of LED Phosphors with Similarities to Garnets. Adv. Funct. Mater. 2025, e15406. DOI: 10.1002/adfm.202515406; Cover: 10.1002/adfm.72191