NMR-Spektroskopie als Sonde zur Untersuchung der Dotierungs- bzw. Substitutionshomogenität

• Antragsteller: Professor Dr. Jörn Schmedt auf der Günne
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 517406651

Defekte in kristallinen Strukturen können dazu eingesetzt werden, Materialeigenschaften von Wirtsstrukturen zu verändern, einzustellen und zu kontrollieren. Zu den Materialeigenschaften, die sich über die Defektkonzentration beeinflussen lassen, gehört u. a. die Lumineszenzausbeute. Man stellt sich das so vor, dass der angeregte Zustand strahlungslos über eine Kette von mehreren dotierten Atomen hin zu einem speziellen "Killer"-Defekt transportiert wird, der den angeregten Zustand in den Grundzustand und thermische Energie umwandelt. Offensichtlich hängt die Effizienz der Fluoreszenzlöschung von der Verteilung der Dopanden in der Wirtsstruktur ab. Eine homogen dotierte Probe sollte bei geringerem Dotierungsgrad bessere Lumineszenzeigenschaften als eine heterogen dotierte Probe haben. Wie in kürzlich publizierten Arbeiten gezeigt werden konnte, eignet sich Festkörper-NMR-Spektroskopie dazu, die Dotierungshomogenität auf einer Längenskala von ca. 0,5 bis 2 nm zu evaluieren, indem man den relativen Anteil der „sichtbaren“ Atomkerne mit steigender Dotierungskonzentration bestimmt.Das Ziel dieses Projektes ist es, die Hypothese überprüfen, ob die Dotierungshomogenität wir per NMR festgestellt, sich positiv auf die Lumineszenzeigenschaften auswirkt.Die geplanten Experimente wurden entworfen, um die folgenden Fragen zu beantworten.In welchem analytischen Zusammenhang steht das NMR-unsichtbare Probenvolumen mit dem elektronischen Zustand des Dopanden, dem Grad der Homogenität und der Temperatur?Ob und wie hängen die Lumineszenzeigenschaften mit der Homogenität zusammen?Eine wichtige Erkenntnis aus den Vorarbeiten ist, dass die Distanz, auf der NMR die Dotierungshomogenität erfasst, von der Größenordnung her ziemlich genau mit der Distanz übereinstimmt, auf der strahlungsloser Transport eines angeregten Zustands von einem Dopanden zum nächsten erfolgen kann.Erforderlich für die Durchführung des Projektes ist die phasenreine Synthese von Dotierungsreihen von kristallinen Wirtsverbindungen. Absichtlich sollen als paramagnetische Dopanden nur Seltenerdionen verwandt werden, so dass der Einfluss der chemischen Umgebung gering ist und die theoretische Erklärung der Ergebnisse erleichtert wird. Die besagte NMR-Methode benötigt für eine Anwendung lediglich das NMR-Signal eines beliebigen Isotops und eignet sich deshalb für die Charakterisierung von vielen Klassen von Wirtsstrukturen, z.B. von Silicaten (Si-29), Halogeniden (F-19, Cl-35/37, Br-79/81), Nitriden (N-14/15), Phosphaten (P-31), Boraten (B-10/11) oder Aluminaten (Al-27).

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen