Markus Prechtl und Felix Binstadt

Leuchtstoffe mit Seltenerdelementen im Unterricht

Leuchtstoffe, Seltenerdelemente, LED
Der Leuchtstoff unter der UV-Lampe, © Markus Prechtl und Felix Binstadt

Markus Prechtl und Felix Binstadt

Faszinierende Anwendungen und eine problematische Synthesemethode

Das Thema Leuchtstoffe eignet sich ausgesprochen gut, um die Anwendungsmöglichkeiten von Seltenerd-elementen (SEE) im Chemieunterricht zu vertiefen. Das Thema bietet mannigfaltige Vernetzungsmöglichkeiten mit den Basiskonzepten der Chemie und mit den Themenfeldern Stoffklassen und Produkte, Recycling und Urban Mining, Licht und Farbe etc.
Mit SEE dotierte Leuchtstoffe
Klassenräume werden üblicherweise mit Leuchtstoffröhren erhellt. Ihr Licht, das uns weiß erscheint, wird von einer trichromatischen Rot-Grün-Blau-Leuchtstoffmischung erzeugt. Für die farbige Lumineszenz sorgen Substanzen, in deren Wirtsgitter vorwiegend Ionen der SEE integriert wurden. Bei der Herstellung eines Leuchtstoffes werden einzelne Ionen eines Wirtsgitters eines farblosen Salzes, üblicherweise ein Doppeloxid, durch Fremdionen ersetzt. Man sagt: das Wirtsgitter wird dotiert. Doppeloxide sind Oxide verschiedener Metalle (z.B. Bariummagnesiumaluminat), die einem Strukturtyp eines bekannten Minerals wie beispielsweise Granat, Perowskit und Spinell zugeordnet werden können. Eine Dotierung ist durch einen Doppelpunkt gekennzeichnet. BaMgAl10O17:Eu2+ bezeichnet demnach ein mit zweiwertigen Europiumionen dotiertes Bariummagnesiumaluminat.
Die eingebrachten Ionen wirken als Aktivatoren
Das grundlegende Erklärungsmodell zur Deutung von SEE-dotierten Leuchtstoffen besagt, dass sie nach Aufnahme von Energie Licht emittieren. Bei Zufuhr von Energie üblicherweise UV-Licht werden die Elektronen der Moleküle in energetisch höhere Energiezustände angeregt. Fallen sie in den Grundzustand zurück, wird Licht abgestrahlt. Es ergeben sich aus unterschiedlichen Konstellationen von Wirtsgittern und Fremdionen (auch: Aktivatorionen) unterschiedliche Wellenlängen. Für technische Anwendungen wie Displays und Detektoren ist es wichtig, dass der zeitliche Abstand zwischen Absorption und Emission gering ist. Mit den Ionen der SEE kann diese Voraussetzung geschaffen werden, da ihre 4f-Zustände aufgrund geringer Wechselwirkungen mit dem Wirtsgitter gleichbleibende Energiedifferenzen aufweisen [1, S.3627].
Europium
Die zwei- und dreiwertigen Ionen des Europiums sind für die Leuchtstoffindustrie von hoher Relevanz. Die mit Europiumionen dotierten Leuchtstoffe dienen u.a. als Sicherheitsmerkmal in Euro-Banknoten. Das Element Europium zählt zu den kritischen Rohstoffen, da es sich nicht gut substituieren lässt. Es ist zudem recht teuer; ein Zehn-Gramm-Stück des Metalls kostet gegenwärtig etwa 90 Euro. Europium wird im Element-Steckbrief (Tab.1) vorgestellt.
Co-Dotierung
Häufig werden Wirtsgitter mit zwei SEE-Ionen ausgestattet (vgl. [2]). In der Symbolschreibweise wird dies mit einem Komma zwischen den beiden Aktivatorionen dargestellt: CaAl2O4:Eu2+,Nd3+. Eine Co-Dotierung mit Neodym(III)-Ionen wird beim Breitbandemitter BaMgAl10O17:Eu2+ vorgenommen, der in Leuchtstoffröhren den blauen Spektralbereich abdeckt. Bei anhaltender Einwirkung von UV-Strahlung ist er im Vergleich zu (Y,Gd)BO3:Eu3+ (rot) und Zn2SiO4:Mn2+ (grün) weniger beständig [1, S.3629]. An alten Leuchtstoffröhren ist dies zu erkennen. Denn ihr Licht erscheint nicht mehr strahlend weiß, sondern eher farbig.
Substitution von SEE-Ionen
Einige SEE-Ionen liefern als Aktivatoren schmale Linienbanden mit charakteristischen Farben: Eu3+ (rot), Tb3+ (grün), Tm3+ (blau), Dy3+ (gelb). Andere lumineszieren, je nach Wirtsgitter, in nahezu jeder Spektralfarbe. Die Farbe der mit Europium(II)-Ionen dotierten Leuchtstoffe hängt von der Struktur des Wirtsgitters ab. Anhand des Abgleichs der Summenformeln von SrAl2O4:Eu2+,Dy3+ und SrAl2O4:Eu2+,Nd3+ (jeweils grüne Lumineszenz) mit CaAl2O4:Eu2+,Nd3+ (blau) kann dies illustriert werden.
Dysprosium(III)-Ionen im grün lumineszierenden Leuchtstoff SrAl2O4:Eu2+,Dy3+ lassen sich folglich durch Neodym(III)-Ionen substituieren [3, S.2538]. Die...

Friedrich+ Chemie

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Fakten zum Artikel
aus: Unterricht Chemie Nr. 161 / 2017

Kritische Metalle

Friedrich+ Kennzeichnung Praxis Schuljahr 9-12