Chemie der anorganischen LED-Leuchtstoffe – Von den Grundlagen bis zur Anwendung

Umgesetztes Projekt

Ziele

Ziel des Projektes „Chemie der anorganischen LED-Leuchtstoffe – Von den Grundlagen bis zur Anwendung“ ist die umfassende Implementierung der bis zum Start des Projektes nicht vorhandenen Thematik (Ausgangslage) in verschiedene Lehrveranstaltungen der Studiengänge „Chemie“ und „Material- & Nanowissenschaften“. Die Motivation liegt in der erfolgreichen Umsetzung forschungsgeleiteter Lehre, in welcher Kollege Huppertz seine topaktuellen Forschungsergebnisse unmittelbar zur Verbesserung der Lehrinhalte der Studiengänge „Chemie“ und „Material- und Nanowissenschaften“ verwendet, um den Studierenden den Zugang zu dieser komplexen Thematik zu ermöglichen.

Kurzzusammenfassung (dt.)

Das Projekt „Chemie der anorganischen LED-Leuchtstoffe – Von den Grundlagen bis zur Anwendung“ des Kollegen Huppertz wurde vor ca. 2 Jahren gestartet. Im Rahmen der forschungsgeleiteten Lehre implementierte er erfolgreich die komplexe Thematik anorganischer Leuchtstoffe über mehrere Lehrveranstaltungen der Studiengänge „Chemie“ und „Material- & Nanowissenschaften“. Die Studierenden erlernen durch dieses Projekt ein höchstinteressantes Thema aus dem Bereich der aktuellen Forschung, welches sowohl die Aspekte der voraussetzungsfreien Grundlagenforschung (Entdeckung neuer Substanzklassen), Optimierung der Synthesen, umfassende analytische Charakterisierungsmethoden (strukturelle und optische Eigenschaften), sowie die Anwendung dieser neuen Substanzen in LED-Lampen (Kooperation mit der Industrie) behandelt. Durch das Projekt erhalten die Studierenden eine optimale Ausbildung in universitären Forschungsstrategien von der Grundlagenforschung bis hin zu einer tatsächlichen Anwendung, die jeder Nutzer von LED-Lampen zu Hause hat oder bei sich trägt.

Kurzzusammenfassung (engl.)

Two years ago, colleague Huppertz started the project “Chemistry of inorganic LED phosphors – from fundamental research to application”. In the context of research-guided teaching, Huppertz implemented successfully the complex topic of inorganic phosphors in different courses of the degree programs “Chemistry” and “Materials- and Nano-Research”. In this project, the students receive competences in a highly interesting topic from the area of cutting-edge research, which covers aspects of assumption-free basic research (discovery of new classes of compounds), optimization of syntheses procedures, comprehensive analytical characterization methods (structural and optical properties), as well as application of these new compounds in LED devices (cooperation with industry). In the context of this project, the students experience an optimal training in research strategies at the university from fundamental research up to realized applications, which can be found in LED-devices at home.

Nähere Beschreibung

Im Rahmen des Projektes „Chemie der anorganischen LED-Leuchtstoffe – Von den Grundlagen bis zur Anwendung“ verfolgt Kollege Huppertz einen innovativen hochschuldidaktischen Ansatz, in welchem den Studierenden der Studiengänge „Chemie“ sowie „Material- und Nanowissenschaften“ eine neue Substanzklasse von anorganischen Feststoffen im Rahmen mehrerer im Studium aufeinander ab folgender Lehrveranstaltungen vermittelt werden soll. Dabei ist die Chemie der LED-Leuchtstoffe ein relativ neues Gebiet, welches in den bisherigen Lehrinhalten der Festkörperchemie an Universitäten nahezu nicht vertreten ist.

Die wissenschaftliche Forschung von Kollegen Huppertz bewegt sich im Bereich der explorativen Festkörperchemie, wobei ein Spezialgebiet die Suche und Entwicklung neuer „Solid State Lighting Materials“ (SSL-Materials) ist. Diese Forschung hat insbesondere die Entdeckung neuer schmalbandiger Rot- und Grünleuchtstoffe zum Ziel, die in Kombination mit einer blauen LED zur Entwicklung neuer LEDs beitragen. So gelang es Huppertz bereits im Jahre 1997 im Rahmen seiner Dissertation einen ersten anorganischen Leuchtstoff der Zusammensetzung Eu2Si5N8 [1] zu entdecken, der die Entwicklung warm-weißer LED-Lampen ermöglichte. Letztere sind heutzutage in jedem modernen Haushalt und in vielen weiteren Anwendungen zu finden.[2] Diese erfolgreiche Forschung setzte er in den letzten Jahren umfassend fort.[3,4] Zeitgleich modifizierte er im Rahmen seiner forschungsgeleiteten Lehre die von ihm gehaltenen Lehrveranstaltungen mit den neusten Ergebnissen aus seinen Forschungsarbeiten, um einen kontinuierlichen Wissenstransfer aktuellster Forschung zu den Studierenden zu gewährleisten.

Im Detail legt Kollege Huppertz im Rahmen der Bachelor-Vorlesung „Festkörperchemie“ die Grundlagen für allgemeine Festkörpersynthesen unter besonderer Berücksichtigung der damit einhergehenden Schwierigkeiten, die insbesondere in der trägen Reaktionskinetik von Festkörpern liegen. Bereits in dieser Vorlesung wird detailliert auf die Rolle von Fehlstellen und Substitutionen im Festkörper hingewiesen, die den Studierenden einen tieferen Einblick in die Ursache diverser physikalischer Phänomene, wie beispielsweise der Dotierung von Festkörperstrukturen mit Eu2+ und der daraus evtl. folgenden Anregbarkeit um UV-Strahlung unter Emission von rotem Licht, geben. Innerhalb des Masterstudiums erfolgt dann im Rahmen der Vorlesung „Festkörperchemie II“ eine fachliche Vertiefung zu anorganischen Leuchtstoffen, in welcher sowohl der historische Kontext, derzeitige aktuelle Leuchtstoffe, als auch die neusten Entwicklungen bis hin zu Zukunftsvisionen gelehrt werden. Die Studierenden erhalten damit vom Kollegen Huppertz den neusten Wissensstand aus erster Hand, womit die Lehre von einer höchst erfrischenden Aktualität geprägt ist. Die praktische Herangehensweise erlernen die Studierenden im darauf folgenden „Anorganisch-chemischen Praktikum für Fortgeschrittene“, in welchem Synthesen zur Darstellung von anorganischen Leuchtstoffen von den Studierenden selbst durchgeführt werden. Eine umfassende Charakterisierung und Bestimmung der physikalischen Eigenschaften insbesondere der Emissionsspektren dieser neuen, bisher teils völlig unbekannten Phasen ist für die Studierenden als auch die betreuenden Forscher besonders spannend.

Kollege Huppertz ist offensichtlich dazu in der Lage, die Studierenden für die Forschung auf dem Gebiet der Leuchtstoffe nachhaltig zu begeistern und so arbeiten derzeit insgesamt sieben Personen seiner Arbeitsgruppe im Rahmen von Masterarbeiten oder Dissertationen auf der Entwicklung von anorganischen Leuchtstoffen. Diese Aktivitäten finden damit auch ihren Platz im Rahmen der Lehrveranstaltung „Fachbereichsseminar: Anorganische Chemie“, in welchem die neusten Forschungsergebnisse im Rahmen der gesamten Anorganischen Chemie vorgestellt werden (Doktoratsstudium).

Die oben erwähnte Aktualität wird auch durch die Kooperation des Kollegen Huppertz mit der Firma OSRAM, einem der weltweit größten Hersteller für anorganische LED-Leuchtstoffe, garantiert. Allein im vergangenen Jahr wurden durch die Arbeitsgruppe Huppertz und der Fa. OSRAM drei Patente eingereicht, die die aktuelle Bedeutung der Forschungsergebnisse für die Industrie klar belegen. Den Studierenden wird damit im Rahmen der forschungsgeleiteten Lehre auch frühzeitig der Kontakt zur Industrie ermöglicht, was im Rahmen der späteren Berufswahl sicherlich von Vorteil ist.

 

Die im Rahmen dieses Projektes von Kollegen Huppertz durchgeführte Lehre deckt in bemerkenswerter Weise fachübergreifende Kompetenzen und Qualifikationen ab, indem sowohl die chemische Synthese als unabdingbare Grundlage für die Schaffung neuer anorganischer Leuchtstoffe gelehrt und trainiert wird, als auch die physikalischen Phänomene im Rahmen der Anregbarkeit der Leuchtstoffe unter Emission sichtbaren Lichtes zentraler Bestandteil der Ausbildung sind. Durch die Dosierung des Lehrinhaltes auf verschiedene thematisch zusammenhängende Lehrveranstaltungen wird ein optimaler Lerneffekt erreicht, da sowohl eine kurze Wiederholung als auch die Fortführung der anspruchsvollen Thematik nach einem adäquaten Zeitraum für ein nachhaltiges Lernen außerordentlich zielführend sind. Unterstützt wird der Lernerfolg durch die praktische Synthese von anregbaren Leuchtstoffen, die einen „sichtbaren“ Erfolg mit sich bringen.

Die Vermittlung des Stoffes wird von Herrn Kollegen Huppertz derart angelegt, dass auch Rücksicht auf die zunehmende Heterogenität der Studierendenschaft genommen wird. So wird beispielsweise die fehlende chemische Ausbildung der Material- & Nanowissenschaftler durch adäquate Zusatzinformationen kompensiert, um dem Modell einer studierendenzentrierten Lehre möglichst nahe zu kommen. Höchst überzeugend wird in diesem Projekt vom Kollegen Huppertz die Kombination aus Theorie und praktischer Anwendung des Gelernten umgesetzt, womit der unmittelbare Bezug zwischen wissenschaftlichen Methoden und Berufspraxis eindrucksvoll dargestellt wird.

Interessanterweise hat es Kollege Huppertz nicht bei dem geschilderten Projekt belassen, sondern er hat sich zusätzlich auch dem fachdidaktischen Bereich der Chemie zugewandt, um bereits Schülern die Thematik um anorganische Leuchtstoffe und ihrer Bedeutung in der LED-Technologie nahe zu bringen. Derzeit publiziert Huppertz mit seinem Team einen für Schüler verständlichen Zugang zum Thema „Licht und Farbe“, welcher in der kommenden Ausgabe des Heftes Chemie & Schule des Verbandes der Chemielehrer/innen Österreichs erscheinen wird (Druckfahne im Anhang). Der Titel des Beitrages lautet „Wann und wieso ist ein gelber Paprika grün“. Kollege Huppertz erweitert damit seine Lehraktivitäten über die Universität hinaus und gibt Lehrern damit Unterrichtsmaterialien an die Hand, die bereits Schülern den Umgang mit der Materie ermöglichen. Gerade hat Huppertz einen weiteren Artikel mit dem Titel „Schulexperimente zum Thema Licht & Farbe, Lumineszenz und LED“ eingereicht; ein dritter Beitrag zur Synthese einfacher anorganischer Leuchtstoffe mit den begrenzten experimentellen Möglichkeiten von Schullaboratorien ist derzeit in Vorbereitung.

 

Fazit: Kollege Huppertz hat in seiner gesamten Lehre und auch insbesondere in dem hier zusätzlich dargestellten Projekt „Chemie der anorganischen LED-Leuchtstoffe – Von den Grundlagen bis zur Anwendung“ einen geschickten und höchst ansprechenden Weg gefunden, seine Forschungsgebiete auch in der Lehre auf vorbildlichste Art und Weise an der Universität und darüber hinaus zu vermitteln.

 

Daher möchte ich Herrn Kollegen Huppertz wärmstens für den Ars Docendi - Staatspreis für exzellente Lehre 2019 empfehlen.

 

[1] H. Huppertz, W. Schnick, Acta Crystallogr. 1997, 53, 1751–1753.

[2] M. Zeuner, S. Pagano, W. Schnick, Angew. Chem. 2011, 123, 7898–7920.

[3] D. Dutzler, M. Seibald, D. Baumann, H. Huppertz, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2018, 57, 13676–13680.

[4] A. Meijerink, Sci. China Mater. 2018, 62, 146–148.

Positionierung des Lehrangebots

Das Lehrangebot zum Thema „Chemie der anorganischen LED-Leuchtstoffe – Von den Grundlagen bis zur Anwendung“ erstreckt sich inhaltlich über die einführende Vorlesung „Festkörperchemie“ im 5. Semesters des Bachelorstudiums hin zur vertiefenden Vorlesung Festkörperchemie II (Masterstudien) sowie in der praktischen Ausbildung im „Anorganisch-chemischen Praktikum für Fortgeschrittene“ (Masterstudien). Innerhalb des Doktoratsstudiums werden zusätzlich Fachbereichsseminare im Rahmen der Anorganischen Chemie betreut, die sich mit der top-aktuellen Forschung auf dem Gebiet der LED-Leuchtstoffe beschäftigen. Somit erstreckt sich die Ausbildung der Studierenden auf dem Gebiet der LED-Leuchtstoffe über die gesamten curricularen Ausbildungsstufen Bachelor-, Master- und Doktoratsstudium.

Das Beispiel wurde für den Ars Docendi Staatspreis für exzellente Lehre 2019 nominiert.