Physik-Nobelpreis 2014 Höchste Ehre für die Herren des blauen Lichts

Strom effizient in Licht umwandeln - diese technische Meisterleistung verdanken wir drei japanischen Physikern. Ohne die blauen LEDs wäre manches Handyfoto ziemlich dunkel. Dafür erhielt das Trio den Physik-Nobelpreis.

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Corbis

Den Physik-Nobelpreis des Jahres 2014 hat fast jeder von uns längst in der Tasche. Denn das Blitzlicht eines modernen Handys nutzt weiße Leuchtdioden - kurz LEDs. Diese weißen Leuchten basieren auf blauen LEDs - und für deren Entwicklung hat das Nobel-Komitee in Stockholm nun drei Physiker aus Japan ausgezeichnet.

Leuchtdioden wandeln Strom direkt in Licht um. Sie sind, wenn man so will, die Umkehrung einer Solarzelle. Die rote LED wurde bereits Ende der Fünfzigerjahre erfunden, ein paar Jahre später folgte die grüne LED. Um weißes LED-Licht mischen zu können, fehlte aber noch eine blaue Version. Doch die Entwicklung blauer LEDs erwies sich als äußerst schwierig - bis Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Nakamura im Jahr 1992 der Durchbruch gelang.

Akasaki und sein Doktorand Amano erforschten die aus Halbleitern bestehenden Dioden an der Universität Nagoya, wo sie auch heute noch arbeiten. Nakamura arbeitete parallel dazu als Angestellter einer japanischen Firma an blauen LEDs und entwickelte eine technisch ähnliche, aber nicht identische Diode.

"Das in blauen LEDs genutzte Material Galliumnitrid galt lange als unbeherrschbar", sagt Henning Riechert, Professor für Materialwissenschaften an der Humboldt-Universität Berlin. Das Potenzial des Materials sei seit den Siebzigerjahren bekannt gewesen, Forscher weltweit hätten an der Entwicklung blauer LEDs gearbeitet, aber erst Akasaki, Amano und Nakamura hätten die Probleme lösen können.

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Physik-Nobelpreis 2014: Die Erfinder der blauen Leuchtdiode
Die erste Schwierigkeit, an der alle Forscher zuvor gescheitert waren, war die Herstellung des Galliumnitrid-Kristalls. Es gelang den Japanern schließlich, die Kristalle auf dem Mineral Saphir zu züchten.

Das zweite Problem war die P-Dotierung. In der sogenannten p-Schicht des Halbleiters fehlen Elektronen, in der n-Schicht sind sie im Überschuss. Nach Anlegen einer Spannung wandern die Elektronen von der n- zur p-Schicht, die Elektronenlücken bewegen sich in umgekehrte Richtung. Lücken und Elektronen treffen sich in der aktiven Schicht zwischen p- und n-Schicht. Bei diesem als Rekombination bezeichneten Vorgang wird Licht emittiert, dessen Wellenlänge von dem Material abhängt, aus dem der Halbleiter besteht.

Diese P-Dotierung herzustellen, erwies sich als sehr schwierig. Den japanischen Forschern half bei der Lösung - wie so oft in der Wissenschaft - der Zufall. "Akasaki und Amano hatten das Galliumnitrid immer wieder mit einem Elektronenmikroskop untersucht", berichtet der Berliner Halbleiterexperte Riechert. Dabei habe sich herausgestellt, dass das Material nach der Untersuchung auf einmal die gewünschten Eigenschaften hatte.

Nakamura konnte schließlich die Erklärung dafür liefern: Durch den Beschuss mit Elektronen im Mikroskop wird Wasserstoff aus dem Kristall herausgelöst - und plötzlich funktionierte die blaue LED.

"Ich freue mich sehr über die Entscheidung des Nobel-Komitees", sagt Edward Krubasik, Präsident der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. Die Entdeckung blauer LEDs zeige, wie viel Physiker zum Wohlergehen der Menschheit beitragen könnten.

In der Tat gilt die LED als die Glühbirne des 21. Jahrhunderts. Sie ist langlebig und hocheffizient - etwa 40 Prozent des Stroms werden in Licht umgewandelt. Und sie kommt anders als Energiesparlampen ohne giftige Substanzen aus.

Weißes Licht lässt sich mit blauen LEDs auf zwei Wegen erzeugen: Entweder man kombiniert blaue, rote und grüne LEDs, wie dies beispielsweise an großen Anzeigetafeln in Sportstadien geschieht. Oder aber man nutzt eine zusätzliche photolumineszierende Schicht, die kurzwelliges Licht der blauen LED in längerwelliges grünes oder rotes Licht umwandelt.

Das Potenzial der blauen und weißen LEDs ist enorm. Vor allem bei fehlender permanenter Stromversorgung können die sparsamen Dioden, wenn man sie mit Solarzellen und Akkus kombiniert, Licht in bislang dunkle Regionen bringen. Auch hoch entwickelte Länder profitieren enorm von LEDs, weil sie den Stromverbrauch stark senken und so die Energiewende erleichtern.

Olle Inganäs vom schwedischen Nobel-Komitee freut sich vor allem über den enormen praktischen Nutzen der Entdeckung: "Wir sehen die Auswirkungen dieser Erfindung, wir sehen sie auf der Straße, überall." Die Nutzung würde Alfred Nobel sehr glücklich machen.

Akasaki, Amano und Nakamura bekommen den Nobelpreis 22 Jahre nach der Entwicklung der blauen LED. Ein langer Zeitraum - aber die Spanne zwischen der wissenschaftlichen Entdeckung und der Verleihung dafür ist in den vergangenen Jahrzehnten immer größer geworden. Bis in die Vierzigerjahre lag die Wartezeit für Physiker nur in Ausnahmefällen bei mehr als 20 Jahren. Die Regel waren eher 10 Jahre (siehe interaktives Diagramm). Ab 1960 stieg die mittlere Zeitspanne immer weiter an, mittlerweile beträgt sie 25 bis 30 Jahre.

Santo Fortunato von der Aalto University in Finnland, hält die immer längeren Wartezeiten für ein Problem: "Wenn sich dieser Trend fortsetzt, werden einige Kandidaten nicht lange genug leben, um den Preis zu bekommen." Dies könne langfristig sogar dem Ansehen des Nobelpreises schaden.

Die drei Japaner dürfte das im Augenblick kaum beschäftigen. Sie können sich auf die feierliche Zeremonie am 10. Dezember in Stockholm freuen, bei der ihnen der König von Schweden die Medaillen überreichen wird. Im Saal werden diverse blaue LEDs leuchten. Was will man mehr?

Mitarbeit: Kristin Hüttmann



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insgesamt 17 Beiträge
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Seite 1
Krasputin 07.10.2014
1. Wozu ist das?
"Das ist blaues Licht." "Und was macht es?" "Es leuchtet blau."
Layer_8 07.10.2014
2. Licht...
...ohne viel Strom und Abwärme. So "naturnah" wie möglich. Das ist das Verdienst dieser Forscher und mit Recht mit dem Nobelpreis belohnt. Jetzt warte ich auf erschwingliche effiziente LED-Beamer, und mein Handy bekommt erstaunliche neue Anwendungen :-)
JaguarCat 07.10.2014
3. Nicht nur das Handyfoto wäre dunkel ...
... auch viele Handydisplays (z.B. die aller iPhones) würden ohne blaue LEDs nicht leuchten. Inzwischen verwenden aber immer mehr Displays OLEDs als Leuchtmittel - dort ist bald der nächste Nobelpreis fällig.
sci666 07.10.2014
4. die zeitspanne wird beim physik nobelpreis immer größer ?
und beim friedensnobelpreis immer kleiner, so hat obama ihn sogar vor (!) jeglicher leistung erhalten .... und mittlerweile sollte er ihn lieber wieder abgeben !
lce 07.10.2014
5. Oh mann...
Bildunterschrift Bild 7: "Abhängig vom Material des verwendeten Materials..." Schlussredakteur im Urlaub? Sowas muss doch auffallen.
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