Entschlüsselung von Designprinzipien für effiziente NIR-emittierende anorganische Leuchtstoffe

• Antragsteller: Professor Dr. Markus Suta
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 554302036

Die großen Erfolgen in dem Design schmalbandiger und effizienter Eu2+-aktivierter LED-Leuchtstoffe des UCr4C4-Strukturtyps wie z.B. Sr[LiAl3N4]:Eu2+ (SLA:Eu2+), Sr[Li2Al2O2N2]:Eu2+ (SALON:Eu2+), oder verschiedener Alkalilithosilicate demonstrieren das Potenzial anorganischer Strukturchemie für ausgewählte Materialeigenschaften. Während für den sichtbaren Spektralbereich bereits fast perfektionierte Leuchtstoffe existieren, mangelt es noch grundlegend an vielversprechenden Kandidaten für phosphor-konvertierte LEDs mit Emission im unsichtbaren Nahinfrarot (NIR)-Bereich. Diese sind derzeit von großem Interesse für Nachtsicht, Analytik und Sensorik. Breitbandig emittierende NIR-Leuchtstoffe neigen bereits bei niedrigeren Temperaturen fundamental zu strahlungsloser Relaxation. Im Rahmen dieses Projekts sollen die strukturellen Erfolgsprinzipien der sichtbar emittierenden anorganischen Leuchtstoffe auf potenzielle NIR-emittierende anorganische Leuchtstoffe übertragen und auf die neuen Herausforderungen hin angepasst werden. Hierfür steht das 3d3-Ion Cr3+ (nahinfraroter Breitbandemitter) in komplexen Oxiden und Oxometallaten im Fokus. Dabei soll aus den Erfahrungen der Koordinationschemie gelernt werden und mit Hilfe im Festkörper benachbarter hochgeladener Ionen mit d0- bzw. d10-Konfiguration durch kovalente Bindungsanteile elektronisch auf die Emissionsenergie dieses NIR-Emitters Einfluss genommen werden. Ligandenfeldmodellierungen im Rahmen des alten, aber in diesem Fall sehr nützlichen "Angular Overlap Models" werden komplementär genutzt, das kovalente Beiträge zur Metall-Ligand-Bindung explizit zulässt. Durch geschickte Nutzung der Hochdruckchemie und kondensierter Strukturen mit tetraedrischen Oxoanionen des p-Blocks wie Borate, Silicate, Phosphate, oder Sulfate wird zudem auf eine hohe Quantenausbeute aufgrund struktureller Rigidität abgezielt. Im Fokus dieses Projekts steht insbesondere ein mechanistisches Verständnis der Kontrollparameter des strahlungslosen Kanals, der maßgeblich für die thermische Löschung der Lumineszenz der NIR-emittierenden Cr3+-Ionen steht. Darüber hinaus werden der Einfluss der Aktivatorkonzentration sowie der eingestrahlten Leistungsdichte von blauem Licht auf die Helligkeit so gefundener NIR-emittierender Leuchtstoffe genauer untersucht. Hierzu dient vor allem das sogenannte "Schalenmodell" des Energietransfers, das explizit die diskrete Verteilung benachbarter Kationenlagen um ein gegebenes Cr3+-Ion in einer betrachteten Kristallstruktur berücksichtigt. Auf Basis dieser grundlegenden Studien sollen zuverlässige Designprinzipien erarbeitet werden, die für die zukünftige Entwicklung phosphor-konvertierter NIR-LEDs von Bedeutung sein könnten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Closed-Cycle He-Kryostat ; NIR-Photomultiplier
• Gerätegruppe: 5820 Elektronenvervielfacher ; 8550 Spezielle Kryostaten (für tiefste Temperaturen)