Synthese und vergleichende spektroskopische Untersuchung von Einkristallen und nanokristallinen Materialien bezüglich effizienter Upconversionslumineszenz

• Antragsteller: Professor Dr. Erhard Kemnitz; Dr. Andrey Turshatov
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 448730215

Das sich rasant entwickelnde Gebiet lumineszierender Nanomaterialien basierend auf lanthanoiddotierter Upconversions- (UP) Kristalle verlangt nach leistungsfähigen Synthesemethoden, innovativen Materialien und tiefergehender Untersuchung der photophysikalischen Prozesse in UP-Systemen. Neben dem erzielten, deutlichen Fortschritt in der Entwicklung von UP-Materialien bleibt die relativ niedrige Photolumineszenz-Quantenausbeute sowie die hohe Anregungsintensität, die beide viele mögliche Anwendungen deutlich behindern, eine Herausforderung laufender Forschung. Das gemeinsame deutsch-russische Forschungsprojekt ClaraLUx zwischen dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT), der Humboldt Universität zu Berlin (HUB) und dem Prokhorov General Physics Institute der Russischen Akademie der Wissenschaften (GPI RAS) setzt sich zum Ziel, neue und effizientere UC-Materialien, basierend auf Erdalkalimetallfluoriden als Wirtsgitter (z.B. CaF2, SrF2, BaF2 und PbF2), die mit den Ionenpaaren Yb3+/Er3+, Yb3+/Tm3+ and Yb3+/Ho3+ dotiert sind, zu entwickeln. Damit werden erstmalig systematische Untersuchungen der UC-Eigenschaften an kristallinen Materialien, die chemisch gleiche Zusammensetzung aufweisen aber einen breiten Größenbereich von Nanokristallen bis hin zu Einkristallen in Zentimeterdimensionen überspannen, ausgeführt. Das ClaraLUx-Projekt bringt die russische Expertise auf dem Gebiet der Einkristallzüchtung mit dem Know-how der HUB bezüglich der Synthese von Nanokristallen und den Möglichkeiten des KIT zur Charakterisierung von UC-Materialien mittels diverser optischer Methoden zusammen. Die Züchtung von Einkristallen wird nach der Methode der vertical directional crystallization (GPI RAS) ausgeführt, während die Synthese der Nanokristalle über die an der HUB entwickelten fluorolytischen Sol-Gel-Synthese erfolgen soll. Die strukturellen Eigenschaften der neuartigen Materialien werden mittels Methoden wie Röntgenbeugungsanalyse, Fourier-Transformation Infrarot- und Raman Spektroskopie, High-Angle Annular Dark-Field Scanning Transmission Electron Mikroskopie kombiniert mit energiedispersiver Röntgenbeugungsanalyse sowie Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spektroskopie untersucht werden. Die Photolumineszenzeigenschaften (stationäre und zeitaufgelöste Photolumineszenzmessungen) der Kristalle soll über einen breiten Temperaturbereich (von 4 K bis 700 K) am KIT bestimmt werden. Die Korrelation der photophysikalischen und strukturellen Eigenschaften dieser neuen Materialien soll ein tieferes Verständnis des Einflusses der Site-Symmetrie, des Dotanden-Clusterns sowie der Photonenenergie auf die UC-Photolumineszenz liefern. Ein bedeutender experimenteller Fortschritt dieses Projektes wird aus den exakten Messungen der Absolutwerte der PLQY (KIT) durch Anwendung der Ulbricht Kugel basierten Technik erwartet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research, bis 3/2022
• Kooperationspartner: Dr. Sergey Kuznetsov, bis 3/2022
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Bryce Richards