Projekt MELuQuantPhosphor – Methoden zur Ermittlung PhotoLumineszenzQuantenausbeuten streuender Phosphore

21.11.2023

• Gegenstand
• Ziel
• Methodik
• Partner + Förderer

Die industrielle Bedeutung lumineszenter Nano- und Funktions¬materialien und ihrer zuverlässigen Charakterisierung führte 2014 zur ersten Norm zur Bestimmung der Photolumineszenz-Quantenausbeute (QY) transparenter lumineszierender Systeme (IEC/TC 113; IEC 62607-3-164). Ziel von MELuQuantPhophor ist die Weiterentwicklung und Validierung von Messvorschriften für QY, die Bestimmung von Messunsicherheiten und die Entwicklung von Referenzmaterialien für zuverlässige QY-Messungen.

Ziel von MELuQuantPhophor ist die Weiterentwicklung und Validierung von Messvorschriften für QY, die Bestimmung von Messunsicherheiten und die Entwicklung von Referenzmaterialien für zuverlässige QY-Messungen. Spezieller Fokus liegt dabei auf industrierelevanten Konvertermaterialien zur effizienten und energiearmen Erzeugung von Weißlicht. Das Projekt findet daher in enger Kooperation mit Industriepartnern statt um einen effizienten Wissenstransfer zu gewährleisten.

Im Fokus steht die Herstellung von lumineszierenden und streuenden Proben und deren optische Charakterisierung. Während Optokeramiken von einem der Projektpartner produziert werden, werden an der BAM Polymerfilme mit eingebetteten lumineszierenden Nano- und Microteilchen hergestellt. Die Methodenentwicklung zur verlässlichen Quantifizierung der optischen Eigenschaften ist dabei zentral. Die absolute Quantenausbeute ist die wichtigste Messgröße und dient als Qualitätsmaß der Konvertermaterialien.

Schott AG
Fraunhofer IMWS
ISC International Standards Consulting GmbH & Co. KG
BMWK (program WIPANO)

Nano- und mikroskalige lumineszente Funktionsmaterialien sind nicht nur relevant für die Grundlagenforschung, sondern auch für immer mehr Schlüsseltechnologien und industrielle Anwendungen. Lumineszente Nano- und Mikropartikel (NPs; MPs) unterschiedlicher Materialzusammensetzung sind in unserem Alltag inzwischen weit verbreitet mit Applikationen in den Lebenswissenschaften, der medizinischen Diagnostik, Energiekonversion, Photovoltaik, Lichttechnik, Sensorik und als Sicherheitskodierungen.

Typische Materialien sind anorganische Leuchtstoffe wie Cerdotiertes Yttrium-Aluminium-Granat (YAG:Ce), lumineszierende Pigmente, Aufkonvertierungs-Nanopartikel, Halbleiterquantenpunkte und Luminophordotierte Polymer- und Silikapartikel. Die Beleuchtungsindustrie nutzt lumineszierende NPs und MPs u.a. für optisch-elektronische Bauteile wie lichtemittierende Dioden (LEDs) oder Displays sowie als Solarkonzentratoren.

Die Bestimmung der anwendungsrelevanten optischen Eigenschaften von streuenden lumineszierenden Materialien wie lumineszierenden Nano- oder Mikropartikeln in verschiedenen Matrices und von festen bzw. pulverförmigen Partikeln erfordert standardisierte Methoden als Grundlage für eine Vergleichbarkeit der eingesetzten Funktions-materialien und eine verbesserte Qualitätssicherung in Produktions-prozessen. Dies gilt insbesondere für die Schlüsselmessgröße Photolumineszenzquantenausbeute (QY), dem Maß für die Konversionseffizienz von absorbierten Photonen in emittierte Photonen. Die internationale Normung (Norm IEC 62607-3-1; IEC/TC 113) deckt derzeit nur transparente Materialien ab. Zudem gibt es derzeit keine streuenden lumineszenten Referenzmaterialien. Eine Ausweitung der Normung auf die Messung von QY von nicht-transparenten, streuenden lumineszenten Materialien wird dringend benötigt für die zuverlässige Charakterisierung solcher Funktionsmaterialien.

MELuQuantPhosphor zielt darauf ab, diese Lücke durch die Entwicklung, Optimierung und Validierung von möglichst einfachen Messvorschriften zur Bestimmung von QY solcher Proben mittels Ulbrichtkugelspektroskopie zu schließen. Diese Untersuchungen erfolgen repräsentativ an YAG:Ce, das u.a. als LED-Konvertermaterial in Automobilscheinwerfern eingesetzt wird, hier an NPs und MPs in Form von Pulvern, Optokeramiken sowie eingebettet in Polymer-Matrices. Dabei liegt der Fokus auf der Ermittlung der optimalen Messgeometrie zur absoluten Bestimmung der QY, von Kalibrierstrategien, der Bestimmung von Messunsicherheiten und von Referenzmaterialien. Dafür erfolgt u.a. ein Ringversuch der drei Projektpartner an verschiedenen lumineszenten und streuenden YAG:Ce NPs/MPs als Basis für die Validierung der im Projekt entwickelten Messprotokolle und zur Etablierung von Messunsicherheiten für kommerzielle Ulbrichtkugelmessplätze. Außerdem werden Referenzmaterialien entwickelt, die einfache Funktionstests und einen Vergleich verschiedener Ulbrichtkugelmessplätze ermöglichen.

Partner

Dr. Axel Engel, Schott
Dr. Stefan Schweizer, Fraunhofer IMWS
Gerd Weking, ISC International Standards Consulting GmbH & Co. KG

Förderung

BMWK (Programm WIPANO)