VUV- und Elektronenstrahl- Untersuchungen an Pyrosilikatnetzwerken [Si2O7]6- zur Erzeugung von UV-Strahlung

• Main Author: Gerdes, Rolf
• Other Authors: Prof. Dr. Markus Haase
• Format: Doctoral Thesis
• Language: German
• Published: 2018
• Subjects: VUV; Elektronenstrahl; Lumineszenz; Silikate; ddc:540
• Online Access: https://repositorium.ub.uni-osnabrueck.de/handle/urn:nbn:de:gbv:700-20181019665

UV-Strahlungsquellen werden für eine Reihe von Anwendungen eingesetzt, eine wichtige ist die Desinfektion von Wasser. Weltweit sind Anstrengungen im Gange die heute meist verwendeten Quecksilberdampflampen durch alternative UV-Strahlungsquellen zu ersetzten. So unterliegt die Entwicklung von UV emittierenden Leuchtdioden einem stetigen Fortschritt, bezüglich der realisierbaren Wellenlänge und Ausgangsleistung. Sie sind aber insbesondere im UV-C Bereich noch keine, für alle Anwendungen passende Alternative. Die meisten anderen alternativen UV-Strahlungsquellen benötigen für ihren Einsatz eine Konversionsschicht aus einem UV-emittierenden Leuchtstoff. Beispielsweise emittiert die Xe-Excimerlampe Primärstrahlung mit einem Maximum bei einer Wellenlänge von 172 nm, die mittels einer Konversionsschicht, in den für die Anwendung erforderlichen Spektralbereichen konvertiert werden kann. Ebenso ist die neu entwickelte Technologie auf Basis einer Elektronenstrahllampe zur UV Erzeugung auf eine stabile Konversionsschicht angewiesen. Allgemeine Voraussetzungen für einen UV Leuchtstoff sind eine möglichst hohe Bandlücke, eine starke Absorption der Primärstrahlung, effiziente Umwandlung für die benötigte UVStrahlung sowie eine gute Langzeitstabilität des Wirtsgitters. Klassische und gut bekannte Wirtsmaterialien, die vor allem in Xe-Lampen häufig zur Konversion eingesetzt werden, basieren auf ortho-Phosphat-haltigen Strukturen. Neuere Untersuchungen weisen jedoch darauf hin, dass während des Betriebs das Anion PO4 3- reduziert wird. Daher beschäftigt sich die hier vorliegende Arbeit mit der sehr vielfältigen Chemie silikatischer Wirtsgitter. Insbesondere konzentriert sich diese Arbeit auf Verbindungen, die das Strukturfragment des Pyrosilikates (Si2O7) sowie die Seltenerdelemente La, Y und Lu als Kationen enthalten. Zusätzlich wurden Verbindungen untersucht, die das Übergangsmetall Zirkonium enthalten. Die Seltenerd-Pyrosilikate sind bekannt für ihren Phasenreichtum zwischen Lanthan und Lutetium. Für die Untersuchung des strukturellen Einflusses auf die Lumineszenz sind den Wirtsgittern Ce3+ oder Pr3+ als Aktivator zugesetzt worden. Die Ergebnisse zeigen, dass besonders die Emission von Pr3+ stark durch das Kristallfeld beeinflusst wird. Dadurch ist nicht nur eine Verschiebung der 5d Emissionsbande in den Spektren zu beobachten, sondern es kann durch einen Strukturwechsel auch eine starke Verlagerung der 5d-Emission zugunsten der 4f - 4f Intrakonfigurationsübergänge herbeigeführt werden. Die Zr4+ enthaltenden Pyrosilikat-Wirtsgitter benötigen für die Beobachtung effizienter Lumineszenz keine weiteren Aktivatoren. Allein durch die Anwesenheit des Übergangsmetalls und der Interaktion mit der silikatischen Baueinheit entsteht, bei den getesteten Verbindungen, eine Emission im UV-Bereich. Deren spektrale Lage lässt sich ebenfalls durch Strukturänderungen variieren. Beiden Verbindungsklassen, d.h. den Seltenerd- und den Zirkonium-Pyrosilikaten sind gemein, dass sie sehr empfindlich auf äußere Synthesefaktoren reagieren. Dies zeigt sich vorrangig in einer Beeinträchtigung der Phasenbildung.