7. Leuchtstoffe - Willkommen an der FH Münster · • Entdeckung des Phosphors ... Mn für erste Farb-CRT (1958) ... Monitore Elektrolumineszenz Elektrisches Feld LEDs, EL Bildschirme

Kapitel LeuchtstoffeFolie 1

Inkohärente LichtquellenProf. Dr. T. Jüstel

7. LeuchtstoffeInhalt

7.1 Geschichte7.2 Definition und Funktionsweise7.3 Lumineszenzmechanismen7.4 Chemische Zusammensetzung7.5 Zusammensetzung und Funktion7.6 Anwendungen7.7 Breitbandleuchtstoffe7.8 Linienleuchtstoffe7.9 UV-A Leuchtstoffe7.10 UV-B Leuchtstoffe7.11 UV-C Leuchtstoffe7.12 IR-A Leuchtstoffe

Cd(S,Se) Quantum Dots



7.1 GeschichteEinige Meilensteine• Stein von Bologna: Barit (Galilei 1600)• Entdeckung des Phosphors (Phosphoreszenz) (Brand 1669)• Erster Leuchtstoff durch Reaktion von Muschelschalen mit Schwefel (Canton

1768)• Verwendung eines Leuchtstoffes in Kombination mit einer Hg-Entladung

(Becquerel 1859)• Patent zur Anwendung von CaWO4 in Leuchtstofflampen (Edison 1896)• Fluoreszenzlampen mit MgWO4 + (Zn,Be)2SiO4:Mn (GE 1938)• Entwicklung von Ca5(PO4)3(F,Cl):Sb,Mn (McKeag 1942)• ZnS:Ag, (Zn,Be)2SiO4:Mn und Zn3(PO4)2:Mn für erste Farb-CRT (1958)• Fluoreszenzlampen mit Eu- und Tb-Leuchtstoffen (Verstegen 1974)• Erstes oxidisches Nachleuchtpigment SrAl2O4:Eu,Dy (Nemoto 1993)• Nitridische Leuchtstoffe (Schnick 1995)• Transparente Konverterkeramiken für LEDs (Philips 2007)• Schmalbandiger Rotemitter Sr[LiAl3N4]:Eu (Schnick 2014)



7.2 Definition und FunktionsweiseDefinitionEin Leuchtstoff (engl.: Phosphor) ist ein mikro- oder nanoskaliges Pigment, das nach der Anregung durch Strahlung (NIR-, VIS-, UV-, Röntgen-, Gamma-), Hochenergiepartikeln oder Materieschwingungen, elektromagnetische Strahlungim nicht-thermischen Gleichgewicht aussendet.

Bei Anregung durch Elektronen oder UV-Strahlung

Im Tageslicht



7.2 Definition und FunktionsweiseGrundlegende Funktionsweise1. Anregung Absorption von Energie aus einer externen Quelle2. Energietransfer Zu Lumineszenzzentren oder Defektstellen3. Relaxation Strahlend: Emission (Lumineszenz) Leuchtpigmente

Nicht-strahlend: Wärme (Phononen) Farbpigmente

REM Foto von (Y,Gd)BO3:Eu

Teilchengröße 1 - 10 µm

Anregungs-quelle

EmissionWärmeWärme

SET

D

Emission

A

A A

Wärme

Wärme

ETET

ET

Wärme



7.3 LumineszenzmechanismenTyp Physikalischer Prozess (Zeitskala)Fluoreszenz Spin-erlaubter Übergang (ns - µs)Phosphoreszenz Spin-verbotener Übergang (ms)Afterglow (Pers. Luminescence) Thermische Aktivierung von Ladungsträgern (s)

Typ Anregungsquelle AnwendungsbeispielePhotolumineszenz UV Photonen Fluoreszenzlampen Röntgenlumineszenz Röntgenstrahlen RöntgenverstärkerKathodolumineszenz Elektronen Fernseher, MonitoreElektrolumineszenz Elektrisches Feld LEDs, EL BildschirmeThermolumineszenz Wärme AltersbestimmungChemolumineszenz Chemische Reaktion NotfallsignaleBiolumineszenz Biochemische Reaktion Glühwürmchen, QuallenSonolumineszenz Ultraschall -Mechanolumineszenz Mechanische Energie -



Organische Leuchtstoffe• Meist aromatische Verbindungen

mit ausgedehnten -Elektronensystemen• Bsp.: Perylene, Coumarine• Niedrige Phononenfrequenzen

Anorganische Leuchtstoffe• Wirtsmaterial + Dotierungen (Dopants)• Dotierungen = Aktivatoren + Sensibilisatoren

+ Verunreinigungen • Defekte = 0-Dim., 1-Dim., 2-Dim., 3-Dim.• Bsp.: (La,Ce,Tb)PO4 = LaPO4:Ce,Tb

Ce,Tb:LaPO4 = La1-x-yCexTby(PO4)

7.4 Chemische Zusammensetzung

N N

O

O

O

O

O O

OO



7.4 Chemische ZusammensetzungKomposition Wirtsmaterial + Dotierungen + Defekte + Verunreinigungen

Dotierung = Aktivator/Sensibilisator = RE-, TM- und s2-Ionen

La57Y

39Sc

21

Hf72Zr

40Ti

22

Ta73Nb41V

23

W74Mo42Cr

24

Re75Tc43Mn25

Os76Ru44Fe

26

Ir77Rh45Co27

Pt78Pd46Ni

28

Au79

Ag47Cu

29

Hg80

Cd48Zn30

Tl81

In49Ga31Al

13B

5

Ba

Be4

Cs55Rb37K

19Na11Li3ZnH

1

Pb82

Sn50Ge

32Si

14C

6

84Te

52Se34S

16O

8

Bi83

Sb51As

33P

15N

7

At85I

53Br

35Cl

17F

9

Rn86Xe54Kr36Ar18Ne10ZnHe2

Po

Ce58

Pr59

Nd60

Pm61

Sm62

Eu63

Gd64

Tb65

Dy66

Ho67

Er68

Tm69

Yb70

Lu71

Th90

Pa91

U92

Np93

Pu94

Am95

Cm96

Bk97

Cf98

Es99

Fm100

Md101

No102

Lr103

1

Ac89

RaFr87

2

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

13 14 15 16 17

18

1

2

3

4

5

6

7

Mg12

Ca20

Sr38

56

88

6

7

Rf104

Db105

Sg106

Bh107

Hs108

Mt109

Ds110

Rg111



Aktivator Wirtsmaterial Emission bei [nm] Farbe Anwendungen

Mn2+ Zn2SiO4 (Willemit)BaMgAl10O17 (ß-Alumina)

525515

GrünGrün

PDP, CRTPDP, FLs

Mn2+/Sb3+ Ca5(PO4)3(Cl,F) (Halophosphat) 480, 580 Weiß FL

Mn4+ Mg4GeO5.5F 655 Rot Hg-Hochdrucklampen

Fe3+ LiAlO2 735 Rot FL

Cu+ ZnS 530 Grün CRT

Ag+ ZnS 450 Blau CRT

Sn2+ (Sr,Mg)3(PO4)2 630 Rot Hg-Hochdrucklampen

Sb3+ (Sr,Ca)5(PO4)3(Cl,F) 480 Blau-Grün FL

Tl+ NaICsI

415560

BlauGelb

Röntgen-DetektorenRöntgen-Detektoren

Pb2+ BaSi2O5 (Sanbornit)Sr2MgSi2O7 (Akermanit)

350365

UV-AUV-A

Bräunungslampen

Bi3+ Bi4Ge3O12 480 Blau-Grün Röntgen-Detektoren

7.5 Zusammensetzung und FunktionZusammensetzung: Aufstellung nach dem Aktivator (TM- und s2-Ionen)



Aktivator Wirtsmaterial Emission bei (nm) Farbe Anwendungen

Ce3+LaPO4

YPO4

Y3Al5O12

320335, 355

560

UV-BUV-AGelb

BräunungslampenBräunungslampenFL, LED

Pr3+ Gd2O2SCaTiO3

510610

GünRot

CT ScannerFED

Sm3+ Y3Al5O12 (Granat) 620 Rot Laser

Eu2+SrB4O7

BaMgAl10O17

Sr4Al14O25

368453490

UV-ABlauBlau-grün

BräunungslampenFL, PDPFL

Eu3+ Y2O3

YVO4

611615

RotRot

FLHg high-pressure lamps

Gd3+ (La,Bi)B3O6 311 UV-B Psoriasis-Lampen

Tb3+ LaPO4

CeMgAl11O19

(Gd,Ce)MgB5O10

544544544

GrünGrünGrün

FLFLFL

Yb2+ SrSi2N2O2 620 Rot -

7.5 Zusammensetzung und FunktionZusammensetzung: Aufstellung nach dem Aktivator (RE-Ionen)



7.6 Anwendungin AnregungsquelleKathodenstrahlröhren ElektronenRöntgenverstärker RöntgenstrahlungPlasmabildschirmen 147, 172 nmXe-Entladungslampen 172 nmHg-Hochdruckentladungslampen 200 – 350 nmHg-Niederdruckentladungslampen 185, 254 nmemissiven LCDs 370 – 400 nmpcLEDs 370 – 480 nm

Hauptanwendungen: Beleuchtung, Bildwiedergabe, Detektion

Anregungsenergie

Wirtsgitter A

ktivator



7.6 AnwendungenFernseher

Fluoreszenzlampen

Plasmafernseher

Elektrolumineszenz-bildschirme

LEDs

Tomographen (CT/PET)



7.6 AnwendungenFunktion AnwendungsbeispieleOptische Aufheller Farbe, Papier, Kleidung, WaschmittelKopierschutz Banknoten, Briefmarken, Kreditkarten,

Urkunden, Wertdokumente, TicketsProduktschutz Pharmazeutika, PlasticsSicherheitsmarkierung Fluchtwegbeleuchtung, NotausgängeWerbung / Visualisierung Entladungslampen, LogosKonversion von Hochenergie-strahlung oder Partikeln

Röntgenfilme, CTs, Positronenemissions-tomographie, EUV-Verstärker

Kosmetik Zahnkeramiken, SonnenbanklampenMarker für die Analytik Nachweis von Nukleinsäuren + ProteinenLithographie PhotokopiererPhotochemie und -biologie Wasserreinigung, -desinfektion, Brut-

kästen und -schränke, LuftreinhaltungMedizin Diagnostik, Photodynamische Therapie



7.7 BreitbandleuchtstoffeOptische Übergänge• Charge-Transfer• 5s-5p, 6s-6p• 4f-5d • (3d-3d)

Geeignete Aktivatoren• VO4

3-, WO42-

• Sn2+, Sb3+, Bi3+, Pb2+

• Ce3+, Eu2+

• Mn2+

Beispiele• CaWO4 Scheelit• MgWO4 Wolframit• Ca5(PO4)3(F,Cl):Sb Apatit• (Zn,Be)2SiO4:Mn Willemit

FWH

M

300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 8000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0 MgWO4 CaWO4

Em

issi

on in

tens

ity [a

.u.]

Wavelength [nm]



7.8 LinienleuchtstoffeOptische Übergänge• 4f-4f (Sm3+, Eu3+, Tb3+, Er3+, Dy3+, Tm3+)• sehr geringe Elektron-Phonon-Kopplung• Linien oder Linienmultipletts

LaPO4:TmYBO3:Tm

Y2O3:Eu(Y,Gd)BO3:EuYVO4:Eu

LaPO4:Ce,TbLaMgB5O10;Ce,TbLaMgAl11O19:Ce,Tb

400 450 500 550 600 650 700 750 8000,0

0,2

0,4

0,6

Em

issi

on in

tens

ity [a

.u.]

Wavelength [nm]

400 500 600 700 8000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Em

issi

on in

tens

ity [a

.u.]

Wavelength [nm]

400 500 600 700 8000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Em

issi

on in

tens

ity [a

.u.]

Wavelength [nm]



7.9 UV-A LeuchtstoffeOptische Übergänge• 4f-5d• 6s-6p

Geeignete Aktivatoren• Eu2+ (>365 nm)• Ce3+

• Pb2+

Kommerzielle Materialien• LaMgAl11O19:Ce 345 nm Magnetoplumbit• YPO4:Ce 335, 355 nm Xenotim• BaSi2O5:Pb 350 nm Sanbornit• Sr2MgSi2O7:Pb 365 nm Akermanit• SrB4O7:Eu 368 nm

280 300 320 340 360 380 400 420 440 4600,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

YPO4:Ce

LaMgAl11O19:Ce

Em

issi

on in

tens

ity [a

.u.]

BaSi2O5:PbSrB4O7:Eu

Sr2MgSi2O7:Pb

Wavelength [nm]



7.10 UV-B LeuchtstoffeOptische Übergänge• 4f-5d• 4f-4f• 6s-6p

Geeignete Aktivatoren• Ce3+

• Bi3+

• Gd3+ (311 nm)

Kommerzielle Materialien• SrAl12O19:Ce 300 nm Magnetoplumbit• LaPO4:Ce 320 nm Monazit• LaB3O6:Bi,Gd 311 nm (Bi3+ Gd3+ Energietransfer)

260 280 300 320 340 360 380 400 420 4400,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0LaB3O6:Bi,Gd

Em

issi

on in

tens

ity [a

.u.]

LaPO4:CeSrAl12O19:Ce

Wavelength [nm]



7.11 UV-C LeuchtstoffeOptische Übergänge• 4f-5d• 6s-6p

Geeignete Aktivatoren• Pr3+

• Bi3+

• Pb2+

Beispiele• YBO3:Pr 265 nm Vaterit• YAlO3:Pr 245 nm Perowskit• YPO4:Bi 241 nm Xenotim• CaSO4:Pb 230 nm Anhydrit

200 250 300 3500,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

YBO3:Pr

Emis

sion

inte

nsity

[a.u

.]

CaSO4:Pb YPO4:Bi

Wavelength [nm]



7.12 IR-A LeuchtstoffeOptische Übergänge• 3d-3d• 4f-4f

Geeignete Aktivatoren• Cr3+ 680 – 750 nm• Fe3+ 700 – 800 nm• Nd3+ ~ 1060 nm• Yb3+ ~ 950 - 1050 nm

Beispiele• Al2O3:Cr 694 nm Korund → Rubin-Laser• LiAlO2:Fe 735 nm - → Fluoreszenzlampen• Y3Al5O12:Nd 1064 nm Granat → YAG:Nd-Laser• Y3Al5O12:Yb 1028 nm Granat → YAG:Yb-Laser

200 400 600 800 1000 1200 1400 16000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Sample: Y3Al5O12:Nd

Rel

ativ

e in

tens

ity

Wavelength [nm]

Y3Al5O12:Nd

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