Co-doping von Übergangsmetallen in Lanthanoid-basierten Phosphoren zur Steigerung der Lichtemission als Grundlage für helle, abstimmbare Thermometer.-

Das Hauptziel des Projektes ist es, die Photolumineszenz-Eigenschaften von Lanthanoid-basierten, optischen Thermometern durch Co-doping mit Übergangselementen zu verbessern. Aufgrund des signifikant höheren Absorptionsquerschnitts von Übergangsmetallen wird die Emissionsintensität der Lanthanoid-Ionen erhöht, was zu einer höheren Signalstärke des resultierenden Thermometers führt. Darüber hinaus ist die Energieübertragung zwischen dem Übergangsmetall und dem Lanthanoid stark von der Temperatur abhängig, weshalb diese Methode die Temperatursensitivität von codotierten, lumineszierenden Thermometern verbessern kann. Um dieses Ziel zu erreichen, muss
der Co-doping-Prozess von Übergangsmetallen in Lanthanoidbasierten Phosphoren in mikrokristallinen Partikeln verstanden werden. Die Emissionsintensität und die Sensitivität von Lumineszenz-Thermometern hängt von vielen Werkstoffparametern ab. Zu diesen zählen das lokale Kristallfeld, die Phononen-Energie, die Dotierstoff-Konzentration oder die Energieniveau-Differenz
zwischen angeregten Zuständen der Lanthanoide und dem Übergangsmetall. Ein besseres Verständnis des temperaturabhängigen Energieübertragungs-Prozesses ermöglicht die Kontrolle und die gezielte Entwicklung von Lumineszenz Thermometern. Für die Untersuchung der Energieübergang werden mikrokristalline Partikeln in Wroclaw synthetisiert und die spektroskopischen Eigenschaften in Magdeburg analysiert. Die Quanteneffizienz wird an abgesonderten Partikeln durchgeführt, um die Prozesse der Absorption, des Energieübergangs und der Emission in einzelnen Partikeln eindeutig zu verstehen. Host-Übergangsmetall- und Lanthanoid-abhängige Parameter werden anhand von Kombinationen systematisch analysiert. Der Absorptionsquerschnitt, die Energieübertragungsrate, und die strahlenden und nicht-strahlenden Quenchingsraten werden gemessen und mit theoretischen Modellen aus Wroclaw verglichen.
Diese Raten werden auch für eine Serie von Dotierstoffkonzentrationen (Übergangsmetall und Lanthanoid), Leistungsdichte der Anregung und Temperaturen gemessen, um der Einfluss der einzelnen Parameter auf den Sensibilisierungsprozess zu bestimmen. Das vorgeschlagene Projekt kombiniert die Expertise der Gruppe aus Wroclaw im Bereich Synthese, Strukturelle Charakterisierung und Theorie von Übergangsmetall- und Lanthanoid-dotierten Phosphoren mit der Expertise der Magdeburg-Gruppe im Bereich der spektroskopischen Untersuchung der
Lumineszenzeigenschaften abgesonderter Partikeln in temperaturgeregelten Strömungssystemen. Die Implementierung des Projektes wird zu einer ausführlichen Charakterisierung von Energieübergangprozessen zwischen Übergangsmetallen und Lanthanoiden führen, sowohl für das Grundlagenverständnis, als auch für die angewandte Entwicklung von Lumineszenz-Thermometern mit verbesserten Eigenschaften (besser passendes Anregungsfenster, höhere Emissionsintensität, höhere Temperaturempfindlichkeit).

Sensitization of lanthanide-based phosphors by transition metals for high-brightness tunable thermometers (SensiTherm)

Sensitization of lanthanide-based phosphors by transition metals for high-brightness tunable thermometers. (SensiTherm)The main objective of this project is to enhance the photoluminescence properties of lanthanide-based optical thermometers via sensitization by transition metal ions. Taking advantage of the significantly higher absorption cross section of transition metal ions, the emission intensity of the lanthanide ions can be significantly enhanced, which will increase the signal levels offered by the thermometers. In addition, because the energy transfer from sensitizer to activator is strongly temperature-dependent, the sensitization of lanthanide emissions through transition metal ions will open a new path to enhance the temperature sensitivity of co-doped luminescent thermometers. To achieve this goal a detailed understanding of the sensitization process of lanthanides by transition metal ions in microcrystalline particles will be developed. ´The influence of material parameters such as local crystal field, phonon energy, dopant concentration, and energy level difference between excited states of activator and sensitizers on the temperature-dependent sensitization process enables control and intentional design of luminescent thermometers with high emission intensity and high sensitivity to temperature changes. To investigate the energy transfer, microcrystalline samples will be synthesized in Wroclaw, and the spectroscopic properties will be investigated in Magdeburg using dispersed particle methods and quantum yield measurements to unambiguously quantify the absorption, energy transfer and emission processes. Host, sensitizer and activator dependent parameters will be investigated by systematically probing combinations of host (perovskites and garnets), transition metal (Cr3+, Mn4+, Ti3+ and V5+) and lanthanides (Eu3+, Dy3+, Ce3+, Pr3+, Tb3+). The absorption cross section, the energy transfer rate, as well as radiative and non-radiative de-excitation rates will be measured, which will also serve as a comparison for theoretical models developed in Wroclaw. Those rates will also be measured over a range of dopant concentrations (sensitizer and activator), excitation power densities and temperatures to investigate the effect of each parameter on the sensitization process. The proposed project brings together the expertise of Wroclaw in the synthesis, structural characterisation and theory of transition metal and lanthanide doped compounds, with that of Magdeburg in advanced spectroscopic techniques based on probing the luminescence of dispersed particles in temperature-controlled fluid flow systems. Implementation of this project will provide an extensive characterization of energy transfer processes between transition metals and lanthanides, for both fundamental understanding as well as to provide luminescence thermometers with enhanced characteristics (more suitable excitation window, higher emission intensity, higher temperature sensitivity) which will greatly contribute to the progress of many fields of science for which temperature is a property of foremost importance.