Einfluss von Sauerstoff und Wasser auf die optischen Eigenschaften des Röntgenspeicherleuchtstoffes CsBr:Eu2+

• Applicants: Professor Dr. Rüdiger-A. Eichel; Dr. Jörg Zimmermann
• Subject Area: Synthesis and Properties of Functional Materials
• Term: from 2009 to 2011
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 114731532

Ziel des Projektes ist es, den Einfluss von Sauerstoff und Wasser auf die atomaren Speicher- und Auslesemechanismen in CsBr:Eu2+ grundlegend aufzuklären. CsBr:Eu2+ ist ein Röntgenspeicherleuchtstoff, der sich aufgrund seines nadelförmigen Wachstums hervorragend zur Herstellung hochauflösender Bildplatten für die medizinische Röntgendiagnostik eignet und in dieser Hinsicht den heutigen Standard BaFBr:Eu2+ übertrifft. Darüber hinaus lässt sich auch die Effizienz der photostimulierten Lumineszenz (PSL) dieses Materials durch thermische Behandlung in sauerstoffhaltiger Atmosphäre über die Standardwerte hinaus steigern. Eine Behandlung in wasserdampfhaltiger Atmosphäre führt sogar zu einem noch höheren Effizienzanstieg. Eine derart einfache Art der Behandlung zur Materialverbesserung könnte vor allem für die kostengünstige Massenproduktion interessant sein. Der Ursprung der Effizienzsteigerung ist bis dato ungeklärt. Allerdings sind an der TU Darmstadt mithilfe der Elektronen-paramagnetischen Resonanz (EPR) erste deutliche Hinweise auf die Bildung von Aktivatordipolen [Eu2+-O2-] in CsBr:Eu2+ gefunden worden, die aufgrund Ihres Dipolfeldes zu einer Verhinderung der spontanen Rekombination röntgengenerierter Elektron/Loch-Paare und damit zu einer effektiveren Ladungstrennung beitragen. Dabei wird angenommen, dass die Löcher an den Aktivatordipolen eingefangen werden, wobei die Elektronen bevorzugt in Anionenvakanzen verbleiben. Die effektivere Ladungstrennung hat eine höhere Dichte gespeicherter Ladung zur Folge, was die Verbesserung der PSL-Effizienz erklärt. Allerdings ist anzunehmen, dass Sauerstoff und Wasser auch Einfluss auf Elektronspeicherzentren nehmen. Zur systematischen Aufklärung dieser Aspekte sollen die folgenden beiden Schwerpunkte gesetzt werden:(1) Durch geeignete Materialsynthese und anschließender Materialanalyse soll die Hypothese der Aktivatordipolbildung bewiesen oder widerlegt werden. Dazu sollen die genauen Mechanismen der Ladungstrennung und -speicherung aufgeklärt werden. Der Fokus liegt dabei auf Untersuchungen der Struktur des Aktivators, seiner unmittelbaren Gitterumgebung und seiner Funktion im PSL-Prozess.(2) Die Struktur, Entstehung und Wirkungsweise röntgengenerierter Elektronspeicherzentren soll gezielt untersucht werden. Im Vordergrund steht dabei der Einfluss von Sauerstoff und Wasser auf die Zentrenbildung und -beschaffenheit.Dabei muss für beide Schwerpunkte insbesondere die Frage geklärt werden, ob Wasser im Syntheseprozess nur als Trägersubstanz für Sauerstoff dient oder selbst aktiv an Speicher- und Auslesemechanismus teilnimmt.Als empfindliche lokale Sondentechniken mit atomarer Auflösung sind Multifrequenzund Multipuls-EPR-Experimente geplant, um die geometrische und elektronische Struktur der Aktivatordipole sowie der Speicherzentren genau zu charakterisieren. Basierend auf der so bestimmten Mikrostruktur soll mithilfe von Photolumineszenz (PL) und PSL, ein umfassendes physikalisches Modell für die Funktionsweise des Aktivators Eu2+ und seiner unmittelbaren Nachbarschaft im CsBr-Gitter erstellt werden. Zur Charakterisierung der Speicherzentren wird außerdem die Methode der thermisch stimulierten Lumineszenz (TSL) eingesetzt, mit deren Hilfe die energetischen Tiefen und die Dichten der existierenden Elektronen- und Lochfallen bestimmt werden können.

• DFG Programme: Research Grants
• Major Instrumentation: EPR Super-Hochempfindlichkeitsresonator mit Temperiersystem
• Instrumentation Group: 1770 Elektronenspinresonanz-Spektrometer (EPR, ESR)
• Participating Person: Professor Dr.-Ing. Heinz von Seggern