NaYF4:Yb,Er-Upconversion-Nanopartikel: Aufklärung von Energieverlustprozessen zur systematischen Erhöhung der Lumineszenzeffizienz

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Markus Haase; Dr. Ute Resch-Genger
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 271522046

NaYF4 ist das beste heute bekannte Wirtsgitter für Materialien, die Upconversion-Lumineszenz auf Basis der Dotierungsionen Yb3+/Er3+ oder Yb3+/Tm3+ zeigen. Upconversion-Materialien emittieren sichtbares Licht bei Anregung im nahinfraroten (NIR) Spektralbereich. Obwohl die Emission eines Photons im sichtbaren Spektralbereich die Absorption mehrerer NIR-Photonen erfordert, und es sich somit um einen nichtlinearen Vorgang handelt, reichen zur Anregung von Upconversion-Materialien vergleichsweise geringe Lichtintensitäten (Anregungsleistungsdichten) aus, da die Absorption der NIR-Photonen sequentiell und ausschließlich über metastabile Energiezustände der Dotierungsionen erfolgt.Seit einigen Jahren können Upconversion-Materialien auf Basis von Yb3+/Er3+- bzw. Yb3+/Tm3+-dotiertem NaYF4 auch in Form von kolloidalen Nanopartikeln hergestellt werden, die eine sehr gut ausgeprägte Kristallmorphologie und sehr enge Teilchengrößenverteilungen aufweisen. Ähnlich wie Halbleiternanopartikel (Quantum Dots) können solche Partikel heute auch mit gut definierten Schalen aus undotiertem NaYF4 umhüllt werden (Kern-Schale-Partikel), durch die der Transfer von Anregungsenergie über benachbarte Dotierungsatome vom Partikelkern zur Partikeloberfläche minimiert werden kann. Solche Kern-Schale-Partikel zeigen eine intensivere Upconversion-Lumineszenz als nicht umhüllte Partikel, da Energieverlustprozesse an der Partikeloberfläche stark reduziert werden. Im Gegensatz zu Quantum Dots oder auch anderen dotierten Nanopartikeln ist es bisher jedoch nicht gelungen, mit Nanopartikeln die Upconversion-Effizienz des makrokristallinen Materials zu erreichen. Obwohl elektronenmikroskopische Aufnahmen solcher Kern-Schale-Partikeln zeigen, dass sehr homogene Umhüllungen erzielt werden können, ist die Upconversion-Effizienz der Nanopartikel noch fast eine Größenordnung schlechter als die Effizienz makrokristalliner Pulver. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt zwischen einer Arbeitsgruppe, die auf die chemische Synthese von Upconversion-Nanokristallen spezialisiert ist und einer Gruppe, die die Bestimmung absoluter Quantenausbeuten sowie zeitabhängige Lumineszenzmessungen beherrscht, sollen die Ursachen für die geringe Effizienz der Nanopartikel aufgeklärt werden. Auf Basis der dabei gewonnenen Erkenntnisse soll durch Variation der Syntheseparameter darüber hinaus versucht werden, die Upconversion-Partikel so herzustellen, dass diese nicht die zusätzlichen Löschkanäle aufweisen, die heute ihre Effizienz verringern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen