Auf den Quantenpunkt gebracht

26. März 2013, 18:00
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Vorarlberger Forscher wollen mithilfe von Halbleiterkristallen LED-Lampen verbessern

Wie Thomas Edison wohl auf die Europäische Kommission zu sprechen wäre? Schließlich haben die Damen und Herren in Brüssel die bedeutendste Schöpfung des Erfindergenies aus Menlo Park, die traditionelle Glühbirne, im Kampf für die Energieeffizienz aus der EU verbannt. Das ist jedoch nicht der Weisheit letzter Schluss.

Die neuen Energiesparlampen haben einige Nachteile: Sie enthalten Giftstoffe, die beim Zerbrechen entweichen können, und ihr kaltes Licht wird oft als unangenehm empfunden. Doch es gibt auch andere Möglichkeiten: "LED-Lampen sind gute Alternativen, aber derzeit auch noch sehr teuer", sagt David Schmidmayr, der in Zusammenarbeit mit Johann Zehetner im Forschungszentrum für Mikrotechnik an der FH Vorarlberg unter der Leitung von Johann Edlinger zu diesem Thema arbeitet.

Schmidmayr untersucht, inwieweit der Einsatz von Quantenpunkten LED-Lampen verbessern kann. Schließlich harmoniert die LED-Technik derzeit noch nicht vollständig mit dem Menschen. Herkömmliche Weißlicht-LEDs setzen sich aus einer blauen Leuchtdiode und einer Farbkonversionsschicht zusammen. Diese Phosphorschicht wandelt das blaue Licht teilweise in andere Farben des sichtbaren Spektrums um. So entsteht das weiße Licht, das wir bei einer LED-Lampe wahrnehmen. Dabei werden jedoch häufig Phosphore mit breitem Emissionsspektrum eingesetzt, wodurch ein Teil des Lichts im Infrarotbereich ausgesendet wird. Da das menschliche Auge in diesem Bereich kaum Lichtempfindlichkeit besitzt, können wir dieses hellere Licht nicht wahrnehmen.

Auf Materialsuche

David Schmidmayr möchte diesen Zustand durch den Einsatz von Quantenpunkten - englisch fachsprachlich: "Quantum Dots" - ändern: Diese Halbleiterkristalle besitzen ein dünneres verstellbares Emissionsband, womit die Lichtverluste reduziert werden können. Sie haben einen Durchmesser von weniger als zehn Nanometern. Durch ihre geringe Größe zeigen sich quantenmechanische Effekte, welche die elektronische Struktur der Kristalle von einer masse- zu einer atomartigen verändern. Die Kristalle verhalten sich wie künstliche Atome, und ihre Leuchteigenschaften werden modifiziert, indem man ihre Größe ändert.

Die Schwierigkeit besteht darin, ein geeignetes Einbettungsmaterial für die Dots zu finden. Die Konsistenz der Kristalle ist laut Schmidmayr wie ein leuchtendes Puder, das mit einem "Kleber", der Einbettungsmatrix, fixiert wird, um es vor Umwelteinflüssen zu schützen. "Das Problem ist, dass die Dots im Vergleich zu ihrem Volumen eine recht große Oberfläche haben. Die Störstellen der Kristalle kommen dadurch schnell zum Tragen", erklärt Schmidmayr.

Wenn das eintritt, wird die Energie nicht mehr als Licht ausgestrahlt, sondern an die Matrix abgeleitet. Die Leuchtkraft nimmt ab, das Material erhitzt sich und wird beschädigt. Bislang hat man mit verschiedenen Kunststoffen experimentiert. Dabei gab es bereits positive Ergebnisse, die aber noch nicht serientauglich sind.

Für Pflanzen und Menschen

Wenn aber erst einmal ein passendes Material gefunden wäre, ließe sich die Größe der Dots beliebig ändern, wodurch man in verschiedenen Bereichen mit Leuchtgraden und Lichtmischungen von LEDs experimentieren könnte. David Schmidmayr: "Hier kann die weitere Forschung einsetzen: Wir könnten herausfinden, wie sich künstliche Beleuchtung in der Pflanzenzüchtung besonders effektiv einsetzen lässt oder inwieweit sich dieses Licht in seinen verschiedenen Formen auf den Menschen auswirkt." (Johannes Lau, DER STANDARD, 27.03.2013)

  • Alles so schön bunt hier: Handelsübliche Fluoreszenzfarbstoffe, die mit den Quantum Dots verglichen werden.
    foto: schmidmayr

    Alles so schön bunt hier: Handelsübliche Fluoreszenzfarbstoffe, die mit den Quantum Dots verglichen werden.

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