Seltenerdfreies Zinkoxid erzielt Premiere bei der Umwandlung von Spannung in Licht

Nun hat ein Forschungsteam unter der Leitung der Tohoku-Universität in Zusammenarbeit mit der Universität Tsukuba und der Saga-Universität ein Zinkoxid (ZnO)-Material entwickelt, das eine starke und hochempfindliche Mechanolumineszenz aufweist, ohne dass Seltenerdelemente verwendet werden.

Das neu entwickelte Material verbindet hohe Empfindlichkeit mit niedrigen Kosten, da es Zinkoxid verwendet, ein auf der Erde reichlich vorhandenes Material, das bereits in Produkten wie Sonnenschutzmitteln, Kosmetika und Salben zu finden ist.

Die Forscher erreichten diese Leistung, indem sie dem Zinkoxid eine geringe Menge Natrium zusetzten und die strukturellen Defekte des Materials sorgfältig kontrollierten. Nach Angaben des Teams ist dies der erste Nachweis einer starken und hochempfindlichen Mechanolumineszenz in Zinkoxid ohne den Einsatz von Seltenerdelementen.

Um zu verstehen, warum das Material so gut funktioniert, setzte das Team moderne Elektronenmikroskopie und computergestützte Modellierung ein. Die Mikroskopie zeigte, dass die Partikel eine charakteristische kraterartige Oberflächenstruktur aufweisen, die äußere Kräfte effizient in innere Dehnung umwandeln kann. Unterdessen zeigten First-Principles-Berechnungen, die mit dem Supercomputer MASAMUNE-II – benannt nach dem Gründer von Sendai, Masamune Date – durchgeführt wurden, dass Spuren von Natrium stabile strukturelle Defekte erzeugen, die elektrische Ladung vorübergehend speichern können.

Die Berechnungen zeigten zudem, dass Zinkleerstellen für die Nahinfrarotemission des Materials verantwortlich sind. Zusammen ermöglichen diese strukturellen Defekte dem Material, unter einem Druck von nur wenigen Kilopascal – etwa dem Druck, der bei einer leichten Berührung mit der Fingerspitze entsteht – helles Licht zu emittieren.

Diese hohe Empfindlichkeit eröffnet eine Vielzahl praktischer Anwendungsmöglichkeiten. Da das emittierte Licht im nahen Infrarotbereich liegt, der biologisches Gewebe relativ gut durchdringen kann, könnte das Material in zukünftigen medizinischen Sensoren zum Einsatz kommen, die ohne interne Stromquellen auskommen. Solche Geräte könnten potenziell von außerhalb des Körpers durch schwache Schwingungen wie Ultraschall aktiviert werden.

Das Material könnte auch die Überwachung von Infrastrukturen unterstützen. Bei der Anwendung an Brücken, Gebäuden oder Windradflügeln könnte es ermöglichen, kleine Dehnungen und frühe Anzeichen von Verschleiß als Licht sichtbar zu machen. Dies könnte Fernüberwachungssysteme ermöglichen, die ohne Verkabelung oder spezielle Stromversorgung funktionieren.