Fosfori sostenibili a base di manganese
Manganese al posto delle terre rare
Praticamente tutti i diodi a emissione luminosa utilizzati oggi richiedono fosfori basati sui cosiddetti elementi delle terre rare, che sono costosi e difficili da ottenere. In un progetto di ricerca in collaborazione tra l'Università Heinrich Heine di Düsseldorf (HHU) e l'Università di Innsbruck, i chimici hanno ora dimostrato che l'elemento manganese è in linea di principio adatto anche a tali applicazioni. Sulla rivista scientifica Angewandte Chemie hanno dimostrato che questo approccio consente di generare luce bianca da un singolo fosforo a base di manganese.
I diodi a emissione luminosa (in breve: LED) sono efficienti dal punto di vista energetico e flessibili, il che li rende una tecnologia chiave per l'illuminazione sostenibile. Gli attuali LED a luce bianca sono costituiti da un LED a semiconduttore blu, la cui luce viene poi convertita da due strati di materiali fotoattivi in luce verde e luce rossa. Combinando questi colori di luce si ottiene la luce bianca desiderata.
I fosfori utilizzati nei LED attuali contengono quasi tutti elementi delle terre rare, come l'europio o il cerio. Tuttavia, ottenere questi elementi è costoso e vengono estratti su larga scala solo in poche regioni del mondo, principalmente in Cina. Ciò comporta notevoli svantaggi strategici.
Un team di ricerca guidato dal Professore aggiunto Dr Markus Suta (gruppo di lavoro sui materiali inorganici fotoattivi presso la HHU) e dal Professore Dr Hubert Huppertz (Dipartimento di Chimica Generale, Inorganica e Teorica dell'Università di Innsbruck) ha ora cercato delle alternative, più disponibili e facili da gestire. Hanno identificato il metallo di transizione manganese (in breve: Mn) - più precisamente lo ione manganese a doppia carica positiva (in breve: Mn2+) - come promettente. A differenza delle terre rare, il manganese è molto più abbondante nella crosta terrestre, può essere facilmente estratto dai minerali e offre una gestione semplice.
Allora perché il manganese non è già stato utilizzato in passato per i LED? Spiega il professor Suta: "Uno svantaggio fondamentale è l'assorbimento altamente inefficiente di Mn2+, il che significa che la luminescenza decade relativamente lentamente. Per ottenere una luminosità sufficiente sono quindi necessarie densità di potenza elevate". Lo ione Mn4+, invece, è già in uso: emette luce rossa a banda stretta nei fluoruri e viene utilizzato soprattutto per gli schermi. Tuttavia, la produzione dei fosfori corrispondenti richiede l'uso di acido fluoridrico, il che è problematico.
Sulla rinomata rivista scientifica "Angewandte Chemie", i ricercatori riferiscono ora di aver esaminato la luminescenza - le proprietà di radiazione - di un composto speciale: lo ione Mn2+ nei cosiddetti litosilicati alcalini. Il gruppo di lavoro guidato dal professor Huppertz aveva già identificato questa classe di composti come candidati potenzialmente promettenti per emettitori a banda stretta ad emissione ciano per schermi di visualizzazione diversi anni fa, anche se all'epoca l'emettitore era ancora l'europio.
Professor Suta: "A differenza degli ioni europio, gli ioni manganese sono molto più piccoli e più flessibili per quanto riguarda la selezione di specifiche geometrie di coordinazione. Gli ioni Mn2+ emettono luce verde a banda stretta in prossimità di quattro atomi di ossigeno, ma emettono luce rossa quando sono circondati da sei-otto atomi di ossigeno. Con i giusti dettagli strutturali, la luminosità della luminescenza mantiene un alto livello di stabilità termica, un aspetto importante dato che i LED con questi fosfori inorganici raggiungono temperature operative di circa 150°C".
Il professor Huppertz afferma un ulteriore vantaggio: "Insieme alla luce blu del LED a semiconduttore, è possibile generare un'efficiente luce bianca utilizzando un unico fosforo ottenuto da materie prime disponibili". Per ottenere questo risultato vengono attualmente miscelati due diversi fosfori a base di europio. Suta aggiunge: "Questo offre il potenziale per creare un LED a emissione di luce bianca con un'ampia sintonizzazione del colore".
I ricercatori sottolineano che sono necessarie ulteriori indagini per determinare le densità di potenza necessarie per l'eccitazione. Il professor Huppertz conclude: "Dobbiamo verificare se la luminosità e il consumo di energia di un LED con un fosforo attivato dal manganese basato sul nostro concetto possano effettivamente competere con i LED attuali".
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