Neue Generation von Leuchtdioden: Einfach und ungiftig herzustellen, zudem günstig und effizient
Erfindertrio setzt auf Nanodrähte aus Zinkoxid und kombiniert sie auf geschickte Weise zu Leuchtdioden
In der Herstellung enorm einfach, ungiftig und kostengünstig, und in der Wirkung versprechen sie hohe Effizienz: Wissenschaftler vom Institut für Festkörperphysik (IFP) an der Universität Bremen arbeiten an einer neuen Generation von Leuchtdioden (LED - Light Emitting Diode, lichtemittierende Diode). Mit Unterstützung des Bundeswirtschaftsministeriums (BMWi) und der Bremer Patent- und Vermarktungsagentur InnoWi GmbH sollen die neuen LEDs bald auf den Markt kommen.
Nun erhalten die Wissenschaftler 40.000 Euro für ihre weiteren Forschungen in dem Projekt (80 Prozent vom BMWi und 20 Prozent von der Uni Bremen), damit es zur Marktreife gelangen kann. Die Erfinder PD Dr. Tobias Voß, Dr. Apurba Dev und Dr. Jan-Peter Richters forschen am IFP des Fachbereichs Physik/Elektrotechnik der Uni Bremen in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Jürgen Gutowski. „NaZOLED“ haben sie ihr Projekt genannt. Das steht für „LEDs aus Zinkoxid-Nanodrähten“. Mithilfe der Förderung erstellen die Wissenschaftler nun einen Demonstrator (Prototypen) einer LED und entwickeln das Verfahren weiter.
Man fülle Wasser und ein paar Salze in einen Druckbehälter, schiebe ihn in einen Backofen
Vereinfacht dargestellt kommt die Beschreibung für die neue Art der LED-Produktion wie ein Backrezept daher: Man nehme etwas Wasser und ein paar Salze, gebe alles in einen Druckbehälter und schiebe diesen bei 150 bis 200 Grad Celsius für mehrere Stunden in den Backofen. Ganz so einfach wie Kuchenbacken ist das neue Verfahren zur Herstellung von skalierbaren Zinkoxid-Nanodraht-LEDs zwar nicht, doch verglichen mit den herkömmlichen Produktionsverfahren für LEDs ist es sehr viel weniger aufwändig, nicht so teuer und vor allem ungiftig. Daher sehen sowohl die Forscher als auch die InnoWi ein großes Marktpotenzial für die Erfindung und suchen nach Kooperationspartnern für die Weiterentwicklung und die Verwertung.
LEDs finden sich heute überall in unserem Alltag. Kaum ein elektrisches Gerät kommt noch ohne diese kleinen Bauteile aus der Halbleitertechnik aus. Sobald ein Strom durch die Diode fließt, leuchtet sie, und das je nach Art der Diode in unterschiedlichen Farben. Die Wellenlänge des Lichtes, das die LEDs abgeben, hängt vom verwendeten Halbleitermaterial ab. Halbleiter sind Stoffe, die unter bestimmten Bedingungen Strom leiten. Wichtig in der Halbleitertechnik ist auch die so genannte Dotierung. Damit bezeichnen die Fachleute einen Vorgang, bei dem durch das Einbringen von Fremdatomen die Leitfähigkeit eines Halbleiters gezielt eingestellt wird. Eine Dotierung ist je nach eingebrachtem Ladungsträger positiv (p) oder negativ (n). Durch die n-Dotierung werden zusätzliche Elektronen bereitgestellt, während eine p-Dotierung „Lücken“ verursacht, die Elektronen aufnehmen können. Funktionieren kann eine LED aber nur, wenn p- und n-dotiertes Material unmittelbar aneinander grenzen. Dieser Bereich nennt sich pn-Übergang. Bei der LED ist das der „aktive“ Bereich. Hier wird aus elektrischer Energie Licht erzeugt. Oder anders: Dort leuchtet es.
Zinkoxid als Nahrungsmittelzusatz, Sonnenblocker, für Wundbehandlung - und als p-Halbleiter
Wie der Projektname schon verrät, setzt das Forscherteam Voss, Dev und Richters auf Zinkoxid (ZnO). Es wird nicht nur in der Optoelektronik eingesetzt sondern zum Beispiel auch als Nahrungsmittelzusatz, in Hautpflegemitteln und als Sonnenblocker oder in der Medizin zur Wundbehandlung. Das Besondere der Entwicklung liegt nun darin, eine Leuchtdiode (LED) herzustellen, deren Funktionsweise auf einem aus ZnO-Nanodrähten gebildeten pn-Übergang beruht. Neu ist dabei der Einsatz von Zinkoxid als p-Halbleiter, wobei die p-Leitfähigkeit sich nicht aus einer direkten Dotierung mit Fremdatomen sondern vermutlich aus den spe-ziellen Oberflächeneigenschaften der Nanodrähte ergibt. Mit dem in Bremen entwickelten Verfahren kann daher das nach wie vor ungelöste Problem, stabiles und qualitativ hochwertiges p-ZnO durch klassische Dotierungsverfahren zu erzeugen, zwar nicht gelöst, aber geschickt umgangen werden.
In einem nasschemischen Syntheseverfahren - nach dem oben beschriebenen „Backrezept“ - bringen die Forscher zunächst diese nicht einmal haardicken Drähte aus Zinkoxid auf ein Substrat (Untergrund) auf. Sie nennen das „Aufwachsen“. So können großflächige Arrays (Felder) gerichteter Nanodrähte produziert werden. Vorstellen kann man sich das ungefähr wie einen Teppich aus Nanodrähten. Durch das mechanische Zusammenpressen je eines n- und eines p-leitfähigen Nanodraht-„Teppichs“ entsteht dann am Ende die LED. Die Härchen greifen ineinander, berühren sich, und es ergibt sich ein großflächiger pn-Übergang.
„Die ZnO-Nanodrähte haben ein sehr großes Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis. Sie sind einkristalline, eindimensionale Strompfade, entlang derer Elektronen gut fließen können“, sagt Voss, Leiter des Erfinder-Teams. „Der breitlückige Halbleiter ZnO weist eine im Vergleich zu den meisten anderen Halbleitermateria-lien sehr starke Licht-Materie-Wechselwirkung auf. Er eignet sich besonders zur Lichtemission im nahen ultravioletten Spektralbereich“, erklärt der Physiker, und: „Diese LED ist nicht nur konzeptionell einfach, um-weltverträglich und günstig herzustellen, sondern auch großflächig sowie auf einer Vielzahl unterschiedlicher Substrate. Das können zum Beispiel Gläser oder Kunststoffe sein."
Für die Beleuchtung, aber auch für Photovoltaik und zur Abwasserreinigung
Von der InnoWi begleitet, hatten die Wissenschaftler zunächst einen Patentantrag für ihr neues Verfahren gestellt und danach im Rahmen der Förderung durch das SIGNO-Programm (Schutz von Ideen für die gewerbliche Nutzung) des BMWi auch eine zusätzliche „Weiterentwicklungsförderung“ beantragt. Die InnoWi hatte das Marktpotenzial der Erfindung bewertet und den Forschern bei der Antragstellung geholfen. Mit der Förderung will das BMWi patentrechtlich geschützte Ideen unterstützen, deren Verwertungschancen sich mit relativ geringem Aufwand deutlich erhöhen lassen.
„Durch diese neue Technologie ist es erstmals gelungen, beide Seiten des für Halbleiterbauelemente notwendigen pn-Übergangs aus diesem günstigen, toxikologisch unbedenklichen und stabilen Material zu realisieren“, sagt Dr. Birte Halbach, Innovationsmanagerin bei der InnoWi. „Die mit diesem neuen Verfahren hergestellten LEDs haben außerdem die Möglichkeit, Licht sowohl im ultravioletten als auch im sichtbaren Bereich zu emittieren.“
Interessant sei die Erfindung in den industriellen Anwendungsbereichen Optoelektronik, Photovoltaik, Wasser-Reinigung und -Entkeimung sowie allgemeine Beleuchtungstechnik, zählt Halbach auf. Für die Anwendung sehe die InnoWi zwei wesentliche Märkte: Einerseits ließen sich die LEDs zur Beleuchtung (vorrangig Weißlicht) sowie als UV-Licht zum Beispiel zur Abwasserreinigung einsetzen, und andererseits in der Photo-voltaik. Von Vorteil sei auch, dass der neue Herstellungsprozess keine technisch aufwändigen Beschich-tungs- oder Vakuumanlagen erfordere.
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