Luminescent mixed-framework silicates and zirconosilicates
Final Report Abstract
Durch die strategische Grundlagenforschung des Projektes im Bereich Kristallchemie und Spektroskopie konnten neue Gerüstmaterialien mit technisch interessanten Eigenschaften entdeckt werden. Es wurden neuartige, sowohl reine also auch Ln3+-dotierte (Ln = Lanthanoid), gemischte Metall-SEE3+-Gerüstsilikate (SEE = Seltenerden-Element) mit Photolumineszenz-Eigenschaften synthetisiert und charakterisiert. Die spektroskopischen Eigenschaften dieser meist nanoporösen Silikate beruhen auf oktaedrisch koordinierten Ln3+–Kationen. Um Korrelationen zwischen den chemischen Zusammensetzungen und spektroskopischen Eigenschaften festzustellen, wurden die Strukturen mit unterschiedlichen Ln3+–Aktivatorkonzentrationen dotiert. Dazu wurden strukturelle Veränderungen mittels Röntgenbeugungsmethoden an Einkristallen und Pulvern untersucht. Um die Emissionscharakteristik und insbesondere die aus Kristallfeldeinflüssen resultierenden Bandenaufspaltungen der einzelnen Ln3+-Zentren in verschiedenen Wirtsstrukturen zu erfassen, wurden Lumineszenz-Spektroskopie und optische Absorptions-Spektroskopie eingesetzt. Die Ergebnisse des Projektes zeigen, dass die synthetisierten nanoporösen SEE3+-Silikate mit Photolumineszenz-Eigenschaften eine vielversprechende Anwendung als Leuchtstoffe oder in Detektoren und anderen optischen Geräten haben können. Durch Dotierung mit unterschiedlichen Lanthanoiden können maßgeschneiderte Emissionen des Lichtes mit verschiedenen Wellenlängen erzeugt werden. Der Zusammenhang zwischen Strukturtyp und Aktivator-Konzentration in der Kristallstruktur und deren Auswirkung auf Photolumineszenz-Emissionen wurde an Ln3+-dotierten und undotierten SEE3+- Silikaten untersucht. Obwohl die Photolumineszenz-Intensität im Allgemeinen viermal größer bei dotierten Silikaten ist als bei den reinen Endgliedern, wurde kein Photolumineszenz–Konzentrations– Selbstlöschungseffekt (concentration self-quenching) bei Ln3+-Konzentrationen höher als im einstelligen Mol%-Bereich beobachtet. Ähnliche Ergebnisse lieferten weitere Untersuchungen mit zeitaufgelöster Laserspektroskopie: hohe Ln3+-Konzentrationen in den Silikatstrukturen haben keinen Effekt auf die Photolumineszenz-Emissionszeit und dadurch auch auf den Photolumineszenz– Konzentrations–Selbstlöschungseffekt. Es scheint, dass der jeweilige Kristallstrukturtyp, mit unterschiedlichen Ln3+-O-Polyederverknüpfungen, eine größere Rolle spielt als die Aktivator-Konzentration. Ein weiterer Teilaspekt der Projektarbeiten war die systematische Variation von Syntheseparametern bei der Flussmittelsynthese von Kristallen der neuartigen SEE3+-Gerüstsilikate. Hierbei wurden die Konzentration des Flussmittels (MoO3), das Molverhältnis SEE2O3:SiO2, Heiz- und Kühlungsraten, Maximaltemperatur, Haltezeit bei der Maximaltemperatur, Synthesegesamtdauer sowie die Größe des Platintiegels variiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die wichtigsten Syntheseparameter die MoO3-Konzentration und das Molverhältnis SEE2O3:SiO2 sind; mit steigenden MoO3- und SiO2-Konzentrationen, sowie bei längeren Synthesen (geringen Abkühlraten), herrschen bessere Bedingungen in der Schmelze für die Kristallisation von gemischten Gerüstsilikaten.
Publications
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(2013): BaYb6(Si2O7)2(Si3O10) - the first silicate containing both Si2O7 and Si3O10 groups: synthesis, crystal chemistry and topology. Eur. J. Mineral., 25, 509-517
Wierzbicka-Wieczorek M., Kolitsch U.
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(2015): Crystallographic and spectroscopic investigations on nine metal-rare earth-silicates with the apatite structure type. Eur. J. Inorg. Chem. 2015, 948-963
Wierzbicka-Wieczorek M., Göckeritz M., Kolitsch U., Lenz C., Giester G.
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(2015): Structural and photoluminescence properties of doped and REE-endmember mixed-framework rare-earth sorosilicates. J. Lumin. 168, 207- 217
Wierzbicka-Wieczorek M., Kolitsch U., Lenz C., Giester G.
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(2015): Two structure types based on the Si6O15 rings: synthesis, structural and spectroscopic characterization of Cs1.86K1.14DySi6O15 and Cs1.6K1.4SmSi6O15. Eur. J. Inorg. Chem. 2015, 2426-2436
Wierzbicka-Wieczorek M., Göckeritz M., Kolitsch U., Lenz C., Giester G.
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(2016): Energy transfer-induced tunable emission color and thermal quenching of Ca3Y(PO4)3: Eu2+, Mn2+ phosphor for NUV-pumped white LEDs. Dyes Pigm. 131, 91-99
Tian Y., Feng N., Wierzbicka-Wieczorek M., Huang P., Wang L., Shi Q., Cui C.
