In dieser Doktorarbeit wurden mit unterschiedlichen Ionen dotierte Nanokristalle untersucht: Zum einen lanthanoid-dotierte LiYF4-Nanokristalle sowie Nanokristalle weiterer LiSEF4-Materialien (SE = Gd-Lu) und zum anderen Nanopartikel aus antimondotiertem Zinndioxid, einem n-leitenden Oxid. Ein zentrales Ergebnis des ersten Teils der Dissertation war die Synthese von LiYF4:Yb,(Er)/LiYF4-Kern/Schale-Nanokristallen, die eine Zerfallszeit der Yb3+-Emission aufweisen, die Czochralski-Laserkristallen von LiYF4:Yb sehr ähnlich ist. Diese Ähnlichkeit bestätigt die hohe Qualität des neu entwickelten Kern/Schale-Syntheseverfahrens. Die Co-Dotierung der LiYF4-Kern-Partikel mit Yb3+ und Er3+ führte zu einer Upconversion-Emission der Partikel, die für ein System dieser Größe und ohne zusätzliche Dotierungsionen die bisher höchste Quantenausbeute von 1,25 % zeigt. Eine hohe Qualität der LiYF4-Nanopartikel hinsichtlich ihrer schmalen Partikelgrößenverteilung und hohen Form-Homogenität konnte über die Bildung von kolloidalen Kristallen bestätigt werden. Die Herstellung weiterer LiSEF4 Nanokristalle mit den Seltenen Erden (SE) = Lu-Gd führte zu einer systematischen Zunahme der Größe der Partikel von LiLuF4 bis LiTbF4. Die Synthese von LiSEF4-Partikeln mit SE = Gd oder mit Seltenenerd-Ionen mit noch höheren Ionenradien war mit diesem Syntheseverfahren allerdings nicht möglich. Daher wurde das eigenständig entwickelte Kern/Schale-Verfahren zur Umhüllung von LiYF4-Kern-Partikeln mit LiYF4 auf LiGdF4 als Schale übertragen und die Bildung einer LiGdF4-Schale auf LiYF4-Kern-Partikeln spektroskopisch bestätigt. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden im Rahmen eines BMBF-Projektes: „Aktiv steuerbare elektrochrome Gradientenfilter für die Anwendung in optischen Bildaufnahmesystemen“ antimon-dotierte Zinndioxid-Nanopartikel-Suspensionen und -Pasten hergestellt, um n-Leitfähigkeit des SnO2 zu erreichen. Für die Verwendung im ektrochromen Gradientenfilter wurden mittels Rakel- oder Druckprozess nanoporöse Dünnschichtelektroden generiert. Über die Kopplung verschiedener Farbstoffmoleküle konnte der Kontrast des Gradientenfilters in Abhängigkeit des elektro-chemischen Potentials beliebig variiert werden.

Interest in rare-earth-doped crystalline materials, e.g., M(RE)F4 (M – alkali metal, RE – rare-earth metal), featuring unique optical properties such as light upconversion and downshifting is experiencing a surge due to the broad spectrum of applications that these photonic systems are facilitating. The development of reliable synthetic methods that grant rapid access to these materials is therefore of great importance. Microwave-assisted synthesis is appealing in this regard, because microwave radiation enables rapid and uniform heating of the reaction mixture and allows for rigid control of the reaction conditions, factors that facilitate the production of high-quality materials within minutes. Surprisingly, the investigation around microwave-assisted synthesis of M(RE)F4 materials featuring upconversion and downshifting luminescence is limited. Methods that have already been developed predominately target Na-based systems, despite the evidence that the Li-based analogues also display excellent optical properties. In fact, only a single microwave-assisted approach toward a nanoscale Li-based system has been reported to date, while to my knowledge, no report of a microwave-assisted synthesis of a microscale Li-based system existed prior to the commencement of the work presented in this thesis. The challenge lies in the fact that access to Li(RE)F4 is not easily achieved through a simple substitution of the alkali metal source in the established protocols that yield Na(RE)F4; rather, a complete re-optimization of the synthesis method is required. This particular challenge was successfully addressed in this work. Presented and discussed in Chapter 3 of this thesis is a rapid microwave-assisted solvothermal synthesis approach toward both upconverting and downshifting LiYF4:RE3+ microparticle systems. More specifically, it is detailed how the rigorous optimization of the reaction temperature/duration profile, initial reaction mixture pH, and ratio of the metal precursors was necessary in gaining control over the crystalline phase, morphology, and size of the microparticles under microwave-induced solvothermal conditions. Importantly, a materials growth mechanism involving the depletion of a Li-free crystal phase, followed by a particle ripening process is also proposed. Moreover, the versatility of the developed method is highlighted by showcasing how it can be extended toward the synthesis of other relevant Li- and Na-based M(RE)F4 nano- and microscale materials (i.e., LiYbF4, NaYF4, and NaGdF4) featuring upconversion luminescence. Lastly, potential challenges associated with microwave-assisted synthesis are discussed, and appropriate solutions are proposed. The upconversion and downshifting luminescence of the M(RE)F4 materials attained via the developed synthesis approach is investigated in Chapter 4. The first part of the chapter provides a general assessment of the characteristic luminescence generated by the M(RE)F4 materials featuring various RE3+ dopant systems. The second part of the chapter is devoted to a much more thorough single-particle investigation of the anisotropic luminescence behaviour exhibited by the LiYF4:RE3+ microparticles via hyperspectral imaging, polarized emission spectroscopy, and optical trapping. It is my hope that you, the reader, will find the work presented in this thesis stimulating from two vantage points – from the development of the most rapid microwave-assisted solvothermal synthesis of upconverting and downshifting M(RE)F4 nano/microscale materials reported to date, as well as from the utilization of specialized luminescence characterization techniques to provide fundamental insight into a seldom-considered luminescence property of crystalline materials such as LiYF4.