Herstellung und Eigenschaften nanokristalliner Y3Al5O12:Ce und Y2O3:Eu Leuchtstoffe

Autor: Dr.-Ing. Harald Kaps

Erstgutachter: Prof. Dr. Ulrich Herr

Nanokristalline Leuchtstoffe wurden mittels der Methode der chemischen Gasphasenreaktion (CVR) hergestellt. Die Eigenschaften der Struktur und der Lumineszenz wurden analysiert und mit dem entsprechenden mikrokristallinen Material verglichen.

Im Fall von Y₃Al₅O₁₂:Ce, das als gelber Leuchtstoff auf blauen LEDs eingesetzt wird, um weißes Licht zu erzeugen, wurde die gewünschte Y₃Al₅O₁₂-Phase in den wie hergestellten nanokristallinen Proben nicht beobachtet. Um diese Phase zu erhalten, war eine zusätzliche Temperbehandlung nach der CVR-Synthese notwendig. Eine Simulation, die auf Kissingers Theorie über thermisch aktivierte Reaktionen basiert, erlaubte eine Abschätzung der notwendigen Reaktor-Temperatur, mit der die YAG-Phase in-situ erhalten werden kann. In den UV-Lumineszenzuntersuchungen erhöhte sich im Nanomaterial die Emissionsintensität mit zunehmendem Y₃Al₅O₁₂-Phasenanteil, blieb jedoch deutlich unter der Intensität der mikrokristallinen Referenz. Dies wurde einer unvollständigen Integration der Ce³⁺-Ionen in das Y₃Al₅O₁₂ Gitter in den nanokristallinen Proben zugeschrieben.

Y₂O₃:Eu ist als hocheffizienter rot emittierender Leuchtstoff für Leuchtstofflampen bekannt. Die CVR-Proben wiesen einkristalline Y₂O₃:Eu-Partikel mit einer kubischen Gitterstruktur auf. Die UV-Fluoreszenzspektroskopie zeigte einen starken Einfluss der Eu³⁺-Konzentration, der Partikelgröße und der Temperatur auf die beobachtete Lebensdauer. Die Konzentrationsabhängkeit der Fluoreszenzlebensdauer wurde erfolgreich durch das Modell des diffusionseingeschränkten Energietransfers für Leuchtstoffe beschrieben. Um die Teilchengrößenabhängigkeit in Y₂O₃:Eu zu beschreiben, wurde ein Schalenmodell für das von den Oberflächendefekten beeinflusste Volumen entwickelt. Durch die Anpassung der Messdaten mittels des Modells wurde abgeleitet, dass der Einflussbereich der Oberflächendefekte in Y₂O₃:Eu in der Größenordnung von 150 nm liegt und starke Auswirkungen auf die konzentrationsabhängige Lebensdauer der nanokristallinen Leuchtstoffe hat.

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