Die Synthese und physikalische Untersuchung von Lumineszenzmaterialien für die Konversion von blauer in nahinfrarote Strahlung war das Ziel der vorliegenden Arbeit. Ausgehend von bekannten LED-Leuchtstoffen mit großem Absorptionsquerschnitt im blauen Spektralbereich – basierend auf den vollständig erlaubten Übergängen von Ce3+ und Eu2+ – wurde untersucht, inwieweit solche Leuchtstoffe durch Dotierung mit entsprechenden Aktivatoren Emission im nahinfraroten Spektral-bereich zeigen. Die Hoffnung bestand darin, mit linienemittierenden Selten-Erd-aktivierten Leuchtstoffen in Kombination mit hocheffizienten blauen LEDs die bekannten Probleme nahinfraroter LEDs hinsichtlich ihres Temperaturverhaltens – Abnahme der Emissionsintensität bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen und gleichzeitig eine Verschiebung der maximalen Emissionswellenlänge – zu überwinden. Einhergehend mit der Suche nach neuen Materialien wurde zunächst eine an die zur Verfügung stehenden Geräte angepasste Methode zur Bestimmung der Photolumineszenz-Quantenausbeute der Nahinfrarotemission erarbeitet, wobei dafür konzentrationsoptimierte (Y,Lu)AG:Ce,Nd-Pulver verwendet wurden. Die Validierung der gemessenen Werte erfolgte unter Zuhilfenahme der publizierten Verzweigungsverhältnisse der Emissionsmultipletts des Neodyms. Die Messabweichung für die ermittelten Quantenausbeuten wurde bestimmt und beträgt ± 10 Prozent relativ. Gegenstand der Suche nach neuen Materialien waren zum einen modifizierte Granatstrukturen ausgehend vom seit den 1970er Jahren bekannten System (Y,Lu)3Al5O12:Ce3+,Nd3+ und zum anderen nitridische Leuchtstoffe aus der Gruppe (Ca,Sr,Ba)2Si5N8:Eu2+,Nd3+ (2-5-8-Nitride). Die Suche in der erstgenannten Materialklasse war von wenig Erfolg gekrönt, weil die vorgenommenen Modifikationen des Wirtsmaterials Pfade zu strahlungslosen Relaxation eröffnet haben. So ermöglicht die Co-Dotierung mit Tb3+ die Löschung der Emission des Nd3+ über Kreuzrelaxation, die Substitution von Al3+ gegen Ga3+ führt zur Löschung über Photoionisation und die Untersuchung von siliziumhaltigen Granaten offenbarte, dass über die recht hohen Phononenfrequenzen der Silikate die Nd3+-Emission ebenfalls gelöscht wird. Umso überraschender war der Nachweis der Sensibilisierung der Nd3+-Emission in den Eu2+-kodotierten Nitriden, deren Phononenfrequenzen ähnlich hoch wie die der Silikate liegen. Insbesondere Sr2Si5N8:Eu2+,Nd3+ weist eine intensive Neodymemission unter blauer Anregung auf, deren Quantenausbeute die von (Y,Lu)AG:Ce,Nd übersteigt und für die Emission im nahinfraroten Spektralbereich Werte von mehr als 20 Prozent erreicht. Trotzdem ist auch hier der Energieübertrag vom Eu2+ auf das Nd3+ nicht vollständig, was an der beobachteten Europiumemission im orange-roten Spektralbereich deutlich wird. Darüber hinaus wurden für Nd3+ in den untersuchten 2-5-8-Nitriden im Vergleich zu herkömmlichen Nahinfrarot-LEDs deutlich stabilere Emissionseigenschaften hinsichtlich sowohl der thermischen Löschung als auch der Verschiebung der Lage des Emissionsspektrums nachgewiesen. Ein weiterer Befund der Untersuchungen ist der Identifizierung von elektronischen Übergängen zwischen den 4f- und 5d-Orbitalen des Nd3+ bei vergleichsweise geringen Energien deutlich oberhalb von 250 nm in den untersuchten 2-5-8-Nitriden.

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Die Suche nach alternativen Strahlungsquellen für quecksilberhaltige Lampen ist derzeit ein großes Forschungsgebiet. Während für allgemeine Beleuchtungsanwendungen LEDs einen effizienten Ersatz bieten, sind für Anwendungen die UV-Strahlung benötigen gegenwärtig keine effizienten Alternativen auf dem Markt erhältlich. Einen möglichen Ersatz für die aktuellen Quecksilber-Niederdruck-Entladungslampen könnten Xenon-Excimerentladungslampen bilden. Die Entladungswellenlänge dieser Lampen liegt bei 172 nm, was deutlich energiereicher im Vergleich zu den Quecksilber-Niederdruck-Entladungslampen (254 nm) ist. Um die Xenon-Excimerentladungslampen einem möglichst großen Anwendungsbereich zur Verfügung zu stellen, wird die 172 nm Entladung mit Hilfe von Leuchtstoffen in andere Spektralbereiche konvertiert. An diese Leuchtstoffe werden hohe Anforderungen gestellt, wie zum Beispiel eine hohe Absorptionsstärke, hohe Effizienzen und eine hohe Langzeitstabilität, so dass sie für jede Anwendung entwickelt werden müssen. In der vorliegenden Dissertation wurde trivalentes Praseodym (Pr3+) als Aktivatorion in binären und ternären fluoridischen Wirtsstrukturen untersucht. Mit trivalentem Praseodym ist es möglich, eine breite Palette unterschiedlicher Lumineszenzspektren mit Emissionen im ultravioletten und sichtbaren bis hin zum infraroten Spektralbereich zu realisieren. Sowohl Emissionsspektren mit breiten Emissionsbanden, als auch mit schmalen Emissionslinien sind darstellbar. Die Wirtsstruktur und die damit verbundene kristallographische Position des Pr3+ beeinflussen die Entstehung von Banden- oder Linienemission sowie die genaue energetische Lage der Emission. Die fluoridischen Wirtsmaterialien eignen sich wiederum hervorragend zur Bestimmung der hochenergetischen Zustände des Aktivatorions, da sie unter allen Materialklassen die höchsten Bandlücken besitzen. Die Ergebnisse zeigen, dass in fluoridischen Wirtsstrukturen, bei denen sich das Pr3+ in großen Koordinationspolyedern (KZ > 8) befindet, die Emissionsspektren hauptsächlich durch schmale Emissionslinien dominiert werden. Im Gegenzug besitzen die Emissionsspektren, bei denen sich das Pr3+ in kleinen Koordinationspolyedern (KZ < 8) befindet, breite Emissionsbanden. Die Begründung für diese Ergebnisse ist in dem Zusammenspiel zwischen dem nephelauxetischen Effekt und der Kristallfeldaufspaltung der 5d-Orbitale, auch optische Elektronegativität genannt, zu finden. Erfahrungsgemäß weisen die fluoridischen Wirtsstrukturen nur einen geringen nephelauxetischen Effekt auf. Bei oxidischen Wirtsstrukturen ist dieser Effekt deutlich größer, was ebenfalls in der vorliegenden Untersuchung gezeigt werden konnte.

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The origin of the Mixed Glass Former Effect (MGFE) is studied, which manifests itself in a non-monotonic behavior of the activation energy for long-range ion transport as a function of the mixing ratio of two glass formers. Two theoretical models are developed, the mixed barrier model and the network unit trap model, which consider different possible mechanisms for the occurrence of the MGFE. The mixed barrier model is based on the assumption that energy barriers are reduced for ionic jumps in regions of mixed composition. By employing percolation theory it is shown that this mechanism can successfully account for the behavior of the activation energy in various ion conducting mixed glass former glasses. The network unit trap model is based on the fact that a variety of network forming units, the so-called Q(n) species, can be associated with one glass former. Using a thermodynamic approach, the change of the concentration of these units in dependence of ionic concentration and the glass former mixing ratio is successfully predicted for alkali borate, phosphate and borophosphate glasses. In a second step, the charge distribution of the various units is considered and related to it, the binding energies to alkali ions. This gives rise to a modeling of the ionic transport in an energy landscape that changes in a defined manner with the glass former mixing ratio. Kinetic Monte Carlo simulations for alkali borophosphate glasses, which serve as a representative system for the MGFE in the literature, demonstrate that this approach succeeds to predict the behavior of the activation energy. In a further part of the thesis, Reverse Monte Carlo (RMC) simulations for the atomic structure of sodium borophosphate glasses are carried out with X-ray and neutron diffraction data as further input from experiments. Three-dimensional structures could be successfully generated that are in agreement with all experimental and theoretical constraints. Volume fractions of the ionic conduction pathways determined from these structures, however, do not show a substantial relationship to the activation energy, as earlier proposed in the iterature for alkali borate and alkali phosphate glasses.

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