Prächtige Farben durch umweltfreundliche Kristalle

Strahlende Farben ohne Gift: Für das hochgiftige Cadmium in LCD-Bildschirmen könnte es schon bald einen umweltfreundlichen Ersatz geben. Die Quantenpunkte aus dem umweltschädlichen Schwermetall, die für die brillanten Farben sorgen, lassen sich auch aus Indiumphosphid herstellen. Dieses Ersatzmaterial entwickeln deutsche Wissenschaftler derzeit weiter, um dieselben herausragenden Eigenschaften wie bei Cadmium zu erhalten. Die möglichen Anwendungen gehen dabei weit über Fernsehbildschirme hinaus, betonen die Forscher.

Atemberaubende Landschaften in leuchtenden Farben, beinahe so lebensecht wie ein Blick aus dem Fenster – so erscheint das Bild in einem modernen LCD-Fernseher. Maßgeblichen Anteil an diesem täuschend echt wirkenden Eindruck ist nicht nur die hohe Auflösung heutiger Bildschirme. Auch die Farben spielen eine wichtige Rolle, sie lassen sich immer brillanter und satter darstellen. Diese Farbenpracht entsteht durch winzige Kristalle, die nur wenige Atome dick sind: sogenannte Quantenpunkte oder Quantum Dots (QD).

Diese Nanoteilchen sorgen in einem LC-Display mit QD-Technik nicht nur für ein Feuerwerk der Farben, sie haben auch noch eine andere herausragende Eigenschaft: „Ein großer Vorteil der Quantum Dots besteht darin, dass sich ihre optischen Eigenschaften gezielt modifizieren lassen, indem man ihre Größe variiert“, erklärt Armin Wedel vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP in Potsdam. „Man muss also für die einzelnen Farben Blau, Grün und Rot nicht mehr drei verschiedene Materialien herstellen, sondern kann mit einem einzigen Ausgangsmaterial arbeiten“. Das spart Zeit und Kosten.

Maßgeschneiderte Quanten-Punkte

Für jede Anwendung lassen sich die Quantenpunkte maßgeschneidert herstellen. Dabei entstehen zunächst sehr kleine Teilchen, welche blaues Licht aussenden. Ab einer Größe von etwa zwei Nanometer ändert sich die Farbe zu grün. Die mit sieben Nanometer größten Quantenpunkte emittieren im roten Spektralbereich. Kristalle für verschiedene Farben werden in eine Kunststofffolie eingebettet, dieser Film wird schließlich in das Display eingebaut.

Doch die Forscher stehen nun vor einer neuen Herausforderung: Als ideales Material für die Quantenpunkte gilt bislang das giftige Cadmium. Damit lassen sich extrem scharf definierte Farben erzeugen: Das Spektrum des abgestrahlten Lichts hat eine Breite von nur 20 bis 25 Nanometern. Da Cadmium aber extrem umweltschädlich ist, diskutiert die EU-Kommission zurzeit über ein Verbot des Schwermetalls in Konsumgütern bis 2017. Aus diesem Grund sind Hersteller weltweit auf der Suche nach geeigneten Materialien, die dieselben herausragenden Eigenschaften für die QD-Technik besitzen.

Indiumphoshid statt giftiges Cadmium

Wedel und Kollegen haben bereits einen vielversprechenden Ersatz im Blick: Sie erproben Quantenpunkte aus dem Material Indiumphosphid. Damit erreichen die Forscher immerhin schon eine Spektralschärfe von 40 Nanometern. Auf den ersten Blick scheint das nicht weit von der Qualität der Cadmium-Quantenpunkte entfernt. Bei der Farbtreue ist der Unterschied jedoch noch bemerkbar. „Wir sehen das als ersten Meilenstein, arbeiten aber an einer weiteren Verbesserung“, so Wedel.

Die Mühe dürfte sich lohnen: Nicht nur bei Ferstellern von Fernsehdisplays sind die winzigen Farbwunder begehrt. Auch für Sonderanwendungen, etwa Displays für die Medizintechnik oder die Luftfahrt, gibt es ein großes Marktpotenzial. Des Weiteren könnten Quantum Dots auch den Wirkungsgrad von Solarzellen steigern oder in der Bioanalytik eingesetzt werden. Für solche Spezialanwendungen müssen die optischen Eigenschaften der Quantenpunkte genau an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Wedel ist jedoch zuversichtlich: „Aufgrund unserer langjährigen Erfahrung bei der Herstellung kundenspezifischer Quantum Dots sind wir dafür gut gerüstet.“

(Fraunhofer Gesellschaft, 05.10.2015 – AKR)