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Bismuth-aktivierte Gläser mit Infrarot-Lumineszenz als breitbandige Verstärkermaterialien für die Laser- und Informationstechnologie

Subject Area Synthesis and Properties of Functional Materials
Term from 2009 to 2015
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 106251016
 
Final Report Year 2016

Final Report Abstract

Gegenstand des Forschungsvorhabens waren Bismuth-dotierte, optisch aktive Gläser. Von besonderem Interesse war dabei die große Vielfalt möglicher Oxidationsstufen, in denen das Bismuth-Ion matrix- und prozessabhängig stabilisiert werden kann. Letzteres führt zu einer großen Bandbreite unterschiedlicher Lumineszenzphänomene, welche nahezu den gesamten sichtbaren und mittleren infraroten Spektralbereich umfassen. Gerade die zunächst überraschende Beobachtung von ultrabreiten Emissionsbanden im nahen Infrarot hat hier seit einigen Jahren zu sehr erheblichen Forschungsaktivitäten geführt, da die gefundenen spektralen Eigenschaften Anwendungen in neuartigen optischen Verstärkern nahelegen, deren Bandbreite mit herkömmlichen, seltenerdebasierten Materialien nicht erreichbar ist. Während dieses Emissionsverhalten mittlerweile – auch durch die Arbeiten des vorliegenden Projektes – in einer Vielzahl von Matrixmaterialien demonstriert wurde, war die grundlegende Natur des eigentlichen Emissionszentrums zunächst nicht bekannt. Andererseits ist deren Kenntnis aber wesentlich für die weitere Entwicklung Bi-basierter, optischer Materialien, sei es in Form von Gläsern oder in kristallinen Spezies. In einer großen Bandbreite experimenteller Arbeiten konnten hier wesentliche Beiträge geleistet werden. So konnte zunächst die vorherrschende Kontroverse bezüglich der Rolle hoch- oder niedervalenter Spezies klar aufgelöst werden. Es wurde gezeigt, dass gerade niedervalente Spezies wie Bi0 oder (in kristallinen Matrices) Bismuthionencluster zu charakteristischer Infrarotemission führen, und dass diese in Gläsern insbesondere durch die lokale Basizität der Matrix einstellbar ist. Eine hohe Basizität führt dabei zu einer Rotverschiebung der NIR-Emission. Andererseits besteht ein relativ enges Prozessfenster, innerhalb dessen die NIR-aktiven Spezies stabilisierbar sind, da bei tieferer Reduktion Agglomerationserscheinungen bis zur Bildung metallischer Nanopartikel auftreten. Dies wiederum führt zur Auslöschung der NIR-Aktivität. Beides konnte durch Untersuchungen zur entsprechenden Reaktionskinetik unterlegt werden. Ein Schlüsselaspekt ist neben der material- und prozessseitigen Kontrolle des Reduktionsverhaltens zudem die Kontrolle der Materialhomogenität, da Bismuth als Bestandteil von Glasschmelzen oder Festgemengen einerseits hochvolatil ist, andererseits sich das Redoxverhalten sehr stark temperaurabhängig zeigt. Gerade die Glasentwicklung sollte sich hier also auch eher tiefschmelzende Gläser konzentrieren, in denen sowohl eine hohe chemische Homogenität erreichbar ist als die thermischinduzierte Partikelbildung vermeidbar ist. Neben die niedervalenten NIR-aktiven Spezies können zukünftig auch di- und trivalente Emissionszentren von Interesse sein. Diese erlauben eine sehr große Flexibilität bei der Erzeugung spezifischer Emissionscharakteristika im sichtbaren Spektralbereich, jedoch ist deren Stabilisierung und gezielte Beeinflussung vor allem in glasigen Matrices bisher noch wenig bekannt.

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