Entmischung und Fluoreszenz seltenerddotierter Borosilicatgläser

• Antragstellerin: Dr.-Ing. Katrin Thieme
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405862582

Heutzutage besteht eine große Nachfrage nach Materialien mit exzellenten optischen Eigenschaften für photonische Anwendungen. Der Fokus dieses Antrags liegt auf der Präparation und Charakterisierung fluoreszierender Borosilicatgläser, welche in boratreiche Tröpfchen, umgeben von einer Silicatmatrix, entmischen. Die silicatreiche Matrix führt dazu, dass die boratreichen Tröpfchen vor chemischen Angriffen und Degradation geschützt sind. Die Untersuchungen sollen am Modellsystem Na2O-B2O3-SiO2 durchgeführt werden. Da der Anteil der Tröpfchenphase in weiten Bereichen eingestellt werden kann, ist die Konzentration der Seltenerdionen, die in eine der Tröpfchenphasen eingebaut sind, deutlich höher. Hinzukommt, dass die Mikrostruktur der Borosilicatgläser sehr gut durch Wärmebehandlungen, die zu einer Entmischung der Gläser führen, eingestellt werden kann. Es ist möglich, in Abhängigkeit von der gewählten Wärmebehandlung, Entmischungsstrukturen zu erhalten, die sich in Größe, Größen- oder Elementverteilung unterscheiden. Durch die Kontrolle von Größe und Zusammensetzung der verschiedenen Phasen sollen die Fluoreszenzeigenschaften, d. h. Fluoreszenzintensität, Emissionswellenlänge und Lebensdauern, gezielt beeinflusst werden. Eines der Ziele dieses Antrags ist es, den Einfluss von Glasstruktur und Zusammensetzung entmischter, seltenerddotierter Borosilicatgläser auf die Fluoreszenzeigenschaften grundlegend zu verstehen. Aus diesem Grund soll Na2O durch verschiedene Alkali- oder Erdalkalioxide, wie z. B. K2O, Cs2O, SrO oder BaO, ersetzt werden und der Effekt auf das Entmischungsverhalten, speziell der sich bildenden Entmischungsstrukturen, untersucht werden. Das B2O3/SiO2-Verhältnis soll variiert werden, um strukturelle Parameter, wie z. B. Netzwerkkonnektivität, Struktureinheiten oder optische Basizität, zu verändern. Da die optische Basizität die lokalen Positionen der Seltenerdionen beeinflusst, werden somit auch die Fluoreszenzeigenschaften geändert.Die Nano- und Mikrostruktur der gegossenen und wärmebehandelten Gläser wird mittels elektronenmikroskopischer Analysen umfassend untersucht. Weiterhin wird die Mikrostruktur hinsichtlich Größe, Größenverteilung, Form und Zahl der Tröpfchen als Funktion des gewählten Temperatur/Zeit-Regimes analysiert. Von besonderem Interesse sind Informationen über Elementverteilungen und chemische Gradienten. Da die Fluoreszenzeigenschaften seltenerddotierter Gläser sehr stark von der Koordination, Konzentration und räumlichen Verteilung der fluoreszierenden Ionen abhängen, werden Strukturaufklärungstechniken wie z. B. Raman-, IR- und NMR-Spektroskopie angewandt, um ein grundlegendes Verständnis über den Seltenerdioneneinbau in diesen Gläser zu generieren. Auf Basis dieser Erkenntnisse können Korrelationen zwischen Fluoreszenzeigenschaften und strukturellem Aufbau der Gläser gefunden werden. Diese Erkenntnisse werden bei der Entwicklung neuer optischer Materialien helfen und den Entwicklungsprozess vereinfachen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen