Durch neue Ansätze zur Charakterisierung molekularer und nanokristalliner Materialien
spiegelt die vorliegende Arbeit die Synergie von linearer Optik über Ultrakurzzeitphysik
zur nichtlinearen Optik wider.
Angefangen mit der linearen diffusen Reflektanz (Remission) zur Bestimmung des spektralen
Reflexionsvermögens von Pulverpartikeln, erlaubt die hier gezeigte alternative
Herangehensweise (s. Kapitel 2) nicht nur ein vereinfachtes Messen der Remission zur
Analyse von Materialzusammensetzungen, Verunreinigungen und Co-Dotierungen, sondern
eröffnet zudem über Monte-Carlo Simulationen, kombiniert mit der Kubelka-Munk
Theorie und der Mie Streuung, auch den Zugang zu dem ansonsten experimentell unzugänglichen
Absorptionskoeffizienten von nicht-transluzenten Proben. Die präsentierten
Mess- und Simulationsergebnisse an Pulvertabletten aus Rutil-Titandioxid (TiO2)
und Cer-dotierten Yttrium Aluminium Granat (YAG:Ce3+) sind mit den bisherigen in
der Literatur vorliegenden Ergebnissen konsistent oder zumindest vergleichbar. Auch
lassen sich nach Modifikation der Kubelka-Munk Funktion die Bandkanten-Energien
Eg der mikro- und nanokristallinen Pulverproben mittels so genannter Tauc Plots verifizieren.
Basierend auf einer starken Temperatur- und Konzentrationsabhängigkeit lassen sich
die Emissionsspektren der oben genannten YAG:Ce3+-Leuchtstoffe aufgrund von Überlappung
oder Verschiebung der energetischen Grundniveaus 2F5/2 und 2F7/2 variieren (s.
Kapitel 3). Während sich bei Tieftemperaturen um 19K die doppelbandige Natur der
Leuchtstoffe zeigt, verbreitern sich die Emissionsbanden bei Raumtemperatur zu einer
Einzelbande, womit eine spektral sehr breite Fluoreszenz einhergeht. Mathematische
Entfaltungen dieser Spektren zeigen jeweils den prozentualen Beitrag der Relaxation
aus dem untersten angeregten Zustand 5d1 in einen der beiden Grundzustände 2F5/2
und 2F7/2 und ebenso den Einfluss der Temperatur und Cer-Konzentration. Tatsächlich
führen die experimentellen Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zu der Erkenntnis, dass
eine der vier untersuchten YAG:Ce3+-Proben eine erhöhte Cer-Konzentration aufweisen
muss. Anders als bei den schwach konzentrierten YAG:Ce3+-Proben ist die spektrale
Doppelbande des stark konzentrierten Leuchtstoffs selbst bei 19K nur zu erahnen, während
der Beitrag des 5d1 --> 2F7/2 Übergangs auf die Gesamtfluoreszenz retrograd zum
5d1 --> 2F5/2 Übergang mit steigender Temperatur sogar abnimmt.
Im direkten Anschluss an die spektrale Vermessung der Proben folgen zeitaufgelöste
Lebensdauermessungen zur Bestimmung der Nachleuchtdauern dieser Leuchtstoffe
mittels Pikosekunden-Laserpulsen (ps-Pulse) (s. Kapitel 3.3). Auch hier stellen sich Unterschiede
zwischen den genannten YAG:Ce3+-Proben heraus und untermauern erneut
die Annahme unterschiedlicher Cer-Konzentrationen: Während die Nachleuchtdauer
der niedrig konzentrierten Leuchtstoffe von der Temperatur nahezu unberührt bleibt,
zeigt sich eine bemerkenswerte Temperaturabhängigkeit des 5d1 --> 2F5/2 Übergangs beim YAG:Ce3+ mit hohem Cer-Gehalt. Auf Basis sämtlicher experimenteller Erkenntnisse
und einer ausgiebigen Literaturrecherche kann schließlich eine Fremddotierung
der Leuchtstoff-Proben nahezu vollständig ausgeschlossen und ein Energieschema für
die vorliegenden YAG:Ce3+-Leuchtstoffe mit den wichtigsten optischen Übergängen erstellt
werden.
In Hinblick auf potentielle holographische Applikationen wie der optischen Datenspeicherung
oder Echtzeit-Holographie erweisen sich die in Polydimethylsiloxan eingebetteten
photoschaltbaren Ruthenium-Sulfoxide aufgrund der äußerst geringen Beugungseffizienz
von < 10−2 als nicht pragmatisch für die Praxis (s. Kapitel 4). Vergleichbare
photoschaltbare Materialien, wie zum Beispiel Natriumnitrosylprussiat, erreichen hingegen
Effizienzen von bis zu 100 %. Dennoch zeichnen sich die in Publikation 2 (s.
Anhang A.2) vorgestellten Resultate an OSO-PDMS durch ihre äußerst hohe Qualität
aus. Sowohl die dynamische Hologramm-Entstehung als auch die Rocking-Kurve
folgen den physikalischen Theorien einwandfrei und lassen sich mit den bekannten mathematischen
Anpassungen exakt wiedergeben, womit sich entsprechend intrinsische
Größen ableiten lassen. Zudem beeindruckt der experimentelle Aufbau mit der präzisen
Messung der oftmals nicht detektierbaren Nebenmaxima der gezeigten Rocking-Kurve
sowie des Winkel-Multiplexings. Bemerkenswert ist außerdem aus physikalischer Sicht
der immense Unterschied zwischen cw- und fs-Holographie. Hier deuten sich nichtlineare
Effekte an, die zu der Erkenntnis führen, dass sich die bekannten Theorien mit
cw-Lasern nicht ohne Weiteres deckungsgleich auf die Holographie mit ultrakurzen
Laserpulsen anwenden lassen. Ein möglicher Erklärungsansatz ist in Kapitel 4.1 beschrieben.
Einen praktischen Zweck zur Nutzung nichtlinearer Effekte erfüllt die vorgestellte Messmethode
zur Unterscheidung polarer und nicht-polarer Materialien mittels intensiver fs-
Puls-Anregung von sogenannten harmonischen (Upconversion-)Nanopartikeln (s. Kapitel
5). Denn anders als die zu Beginn behandelten Leuchtstoffe, weisen die harmonischen
Nanopartikel eine starke Anti-Stokes Verschiebung durch Frequenzkonversion
zweier oder dreier Photonen zu einem energiereicheren (kurzwelligen) Photon auf. Diese
als SHG (second harmonic generation) und THG (third harmonic generation) bekannte
Lichtemission wird spektral vermessen, wobei die zu Beginn der Arbeit beschriebenen
linearen diffusen Reflektanzmessungen den zu erwartenden Spektralbereich ohne nennenswerte
Absorption eingrenzen. Die eigens definierte Gütezahl fR, bestehend aus
dem integrierten SHG- und THG-Emissionsspektrum einer Probe, kategorisiert dann
die polare (fR > 1) oder nicht-polare (fR << 1) Natur des Materials.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-osnabrueck.de/oai:repositorium.ub.uni-osnabrueck.de:urn:nbn:de:gbv:700-202010293646 |
| Date | 29 October 2020 |
| Creators | Bock, Sergej |
| Contributors | Prof. Dr. Mirco Imlau, Prof. Dr. Dirk Berben (FH Hagen) |
| Source Sets | Universität Osnabrück |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf, application/zip |
| Rights | http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/ |
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