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Wissen & Umwelt

Physik-Nobelpreis für LED-Entwickler

Energiesparende LEDs sind nichts Außergewöhnliches mehr. Aber die Entwicklung von Leuchtdioden, die blaues Licht ausstrahlen, gestaltete sich schwierig. Drei Physiker haben es geschafft und wurden dafür ausgezeichnet.

Per Oelsing vom Nobelpreis-Komitee hält sein Handy in die Höhe und leuchtet mit der Taschenlampe des Mobiltelefons in die Kamera. Der Bildschirm und die Taschenlampe des modernen Smartphones nutzen die Technologie, die die drei Nobelpreisträger entwickelt haben, so Oelsing.

Der diesjährige Physik-Nobelpreis ist den japanischen Wissenschaftlern Isamu Akasaki und Hiroshi Amano von der Nagoya University in Japan sowie an Shuji Nakamura von der University of California in Santa Barbara, USA, verliehen worden. Sie haben "effiziente Leuchtdioden, die blaues Licht emittieren" entwickelt und so "hell strahlende und energiesparende Quellen für weißes Licht erschlossen", verkündete das Nobelpreis-Komitee Anfang Oktober in Stockholm.

Shuji Nakamura, Isamu Akasaki, Hiroshi Amano (vlnr)

Die Physik-Nobelpreisträger 2014: Shuji Nakamura, Isamu Akasaki, Hiroshi Amano (v.l.n.r.)

Keine große Überraschung

"Ich bin sehr glücklich, das ist eine großartige Sache für mich", sagte Shuji Nakamura der Deutschen Welle damals nach der Verkündung. Die Möglichkeit, dass er und seine Kollegen als Nobelpreisträger bekannt gegeben werden könnten, sei ihm schon in den Sinn gekommen, so Nakamura.

Auch andere Wissenschaftler meinen, dass es höchste Zeit wurde, dass die drei Forscher für ihre Arbeit ausgezeichnet werden. "Jeder, der mit blauen LEDs zu tun hat, hat das erwartet", sagte Klaus Streubel der DW. Streubel leitet die Forschungs- und Entwicklungsabteilung des Leuchtmittelherstellers Osram und arbeitet seit Jahren in der LED-Forschung. Er trifft die drei Preisträger häufig auf Konferenzen.

"Wir haben es für irgendwann in den nächsten fünf bis zehn Jahren erwartet", sagte Nakamuras Kollege an der University of California, Steven DenBaars, der DW. "Aber dieses Jahr war es eine Überraschung. Man weiß eben nie, wann es so weit ist."

Infografik: Kostenvergleich Glühbirne und LED-Lampe (Grafik: DW)

LEDs benötigen viel weniger Strom als Glühbirnen

Aus blau, grün und rot wird weiß

Leuchtdioden oder LEDs, verbrauchen weitaus weniger Strom als Glühbirnen. Trotzdem ist das Licht, das sie ausstrahlen, sehr hell. "Ich denke, dass LEDs irgendwann fast alle anderen Formen von Lampen ersetzen werden", so DenBaars.

LEDs strahlen Licht einer bestimmten Wellenlänge aus. Je nach Wellenlänge ist das Licht entweder rot, grün oder blau. Alle drei Farben zusammen ergeben weißes Licht, das zum Beispiel in gewöhnlichen Lampen und den Taschenlampen von Smartphones genutzt wird.

"Ohne blaue LEDs gibt es keine weißen LEDs", sagte Streubel. "Und weiße LEDs findet man heutzutage überall. Der wirtschaftliche Erfolg von weißen LEDs war fantastisch."

Blaue LEDs sind etwas Besonderes

LEDs, die rotes und grünes Licht ausstrahlen, wurden in den 1960ern entwickelt. "Das Blaue war aber eine schwierige Sache", sagte Olle Iganäs, Physikexperte im Nobelpreiskomitee.

Erst in den 1990ern präsentierte Shuji Nakamura erstmals eine hell strahlende, blaue LED. "Das war ein Schock für die Fachwelt", meint Osram-Forscher Streubel. Wissenschaftler hatten sich zu dem Zeitpunkt schon damit abgefunden, dass es schlicht und einfach unmöglich war, effiziente, blaue LEDs zu entwickeln. Schon bald nach Nakamuras Präsentation brachten viele Hersteller Schlag auf Schlag blaue und weiße LEDs auf den Markt.

LED-Lampe (Foto: Gero Rueter/DW).

LEDs haben den Leuchtmittel-Markt erobert wie nur wenige Erfindungen vor ihnen

Das Material bestimmt die Farbe

Welche Wellenlänge oder welche Lichtfarbe eine Leuchtdiode aussendet, hängt direkt davon ab, aus welchem Material die Diode gefertigt ist. Für blaue LEDs mussten die Forscher ein Halbleitermaterial verwenden, das ihnen extreme Probleme bereitete, erläutert Joachim Wagner vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik: Dieses Material ist Galliumnitrid.

Zwar wusste man schon früh, wie man dieses Material herstellt und verarbeitet. Aber Forscher sind viele Jahrzehnte daran gescheitert, Kristalle genügend hoher Qualität zu züchten. Außerdem schafften sie es nicht, aus dem Material eine Leuchtdiode herzustellen. Denn dafür mussten sie Fremdstoffe in das Material einbringen - der Experte spricht von Dotierung - und das schien ihnen einfach nicht zu gelingen.

"Galliumnitrid wurde immer in einer wasserstoffreichen Atmosphäre hergestellt", erklärt Wagner, "deshalb war Wasserstoff unabsichtlich mit im Galliumnitridkristall dabei." Dieser Wasserstoff verhinderte aber, dass im Material Elektronen wandern können - und ohne Elektronenwanderung kann kein Licht ausgesendet werden.

Indem Isamu Akasaki und Hiroshi Amano diese Prozesse genau untersuchten und schließlich Kristalle genügend hoher Qualität herstellten, schufen sie die Grundlagen für blaue LEDs. "Nakamura hat diesen Prozess dann industrietauglich gemacht", fügt Wagner hinzu.

'Alfred Nobel wäre glücklich'

Olle Inganäs vom Nobelpreiskomitee betont, dass es für die Entdeckung der drei Preisträger vielfältige Verwendungsmöglichkeit gibt - und "das hätte Alfred Nobel sehr glücklich gemacht."

Nobel hatte in seinem Testament verfügt, dass die Nobelpreise an Erfinder vergeben werden sollen, "die im verflossenen Jahr der Menschheit den größten Nutzen geleistet haben."

Inganäs zeigte eine Karte der Erde bei Nacht, vom Weltraum aus gesehen. Regionen wie Europa und Nordamerika sind hell erleuchtet, aber der afrikanische Kontinent ist mehr oder weniger dunkel. Die Erfindung der drei Nobelpreisträger wird das ändern, sagte Inganäs. Mit Licht, dass mit wenig Strom entsteht, "wird diese Karte zukünftig anders aussehen", so Inganäs. Und deswegen sei die Entwicklung von blauen LEDs perfekt für den Nobelpreis geeignet.

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