Abstrakte 3D-Darstellung einer kristallinen Struktur aus mehreren miteinander verbundenen, transparenten Polyedern. Die Körper sind tetraeder- oder oktaederartig aufgebaut, mit leuchtenden Kanten in Gelb, Blau und Orange.

Strukturmodell der neuentdeckten Substanz mit außergewöhnlichen Eigenschaften

Opti­sche Tem­pe­ra­tur­mes­sung von kalt bis sehr heiß

Eine internationale Kooperation unter Beteiligung von Forscher:innen der Universität Innsbruck hat ein neuartiges lumineszierendes Material entwickelt, das eine besonders robuste und präzise optische Temperaturmessung über einen außergewöhnlich breiten Temperaturbereich ermöglicht.

Optische Lumineszenz-Thermometrie gewinnt zunehmend an Bedeutung, da sie eine berührungslose Temperaturmessung selbst unter extremen Bedingungen erlaubt. Ein zentrales Konzept ist dabei die sogenannte ratiometrische Boltzmann-Thermometrie, bei der das Intensitätsverhältnis zweier thermisch gekoppelter Emissionsübergänge direkt der Temperatur folgt. Die Leistungsfähigkeit solcher Thermometer hängt entscheidend von der elektronischen Struktur des lumineszierenden Ions und dessen Einbettung in die Wirtsstruktur ab.

Die beiden Erstautoren Gülsüm Kinik aus der Arbeitsgruppe von Prof. Markus Suta an der Universität Düsseldorf und Ingo Widmann aus der Arbeitsgruppe Prof. Hubert Huppertz am Institut für Allgemeine, Anorganische und Theoretische Chemie der Universität Innsbruck veröffentlichten kürzlich die Verbindung Al0.993Cr0.007B4O6N, die sich als außergewöhnlich leistungsfähiges Lumineszenz-Thermometer erwiesen hat. Das Material basiert auf Cr3+-Ionen, die in einer nahezu ideal oktaedrischen Koordination eingebettet sind und dadurch ein besonders gut definiertes energetisches Niveau­schema aufweisen.

Diese Form der Thermometrie beruht auf der effizienten thermischen Kopplung zweier angeregter Zustände der Cr3+-Ionen. Durch die Kombination aus sehr schneller nicht-strahlender Kopplung und vergleichsweise langsamer strahlender Relaxation ergibt sich ein rekordverdächtig großer dynamischer Arbeitsbereich, der von unter 77 K (-196 °C) bis über 873 K (600 °C) reicht. Damit übertrifft das neue Material viele etablierte lumineszierende Thermometer, einschließlich klassischer Seltenerd-basierter Systeme wie das Standardbeispiel Er3+. Bei Temperaturen über 340 K (67 °C) kann zusätzlich eine breitbandige Emission genutzt werden, die eine besonders empfindliche Thermometrie ermöglicht.

Grafische Darstellung eines physikalischen Zusammenhangs zwischen Intensität und Wellenlänge. Auf schwarzem Hintergrund sind zwei Kurven eingezeichnet: eine blaue und eine rote, die jeweils zwei spektrale Peaks zeigen.

Die umfassende experimentelle Charakterisierung bestehend aus strukturellen Analysen, temperaturabhängigen Emissionsspektren bis hin zu kinetischen Untersuchungen der Relaxationsprozesse in den angeregten Zuständen zeigt, dass Al0.993Cr0.007B4O6N ein außergewöhnlich stabiles, rot emittierendes und vielseitig einsetzbares Thermometriematerial darstellt. Aufgrund seiner Robustheit eignet es sich besonders für Anwendungen unter extremen Bedingungen, etwa in der Hochdruck- und Hochtemperaturforschung.

Die aktuellen Ergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift Light: Science & Applications der Nature Publishing Group veröffentlicht und markieren einen bedeutenden Schritt hin zu neuen, besonders leistungsfähigen Lumineszenz-Thermometern auf Basis von Übergangsmetallkationen. Die Forschungsgruppen planen weitere Arbeiten auf diesem spannenden Gebiet.

Publikation: Gülsüm Kinik, Ingo Widmann, Benedikt Bendel, Hubert Huppertz, Andries Meijerink, Markus Suta: Ratiometric Boltzmann thermometry with Cr3+ in strong ligand fields: Efficient nonradiative coupling for record dynamic working ranges. Light: Sci. Appl. 2025,14, 388. DOI: 10.1038/s41377-025-02082-8

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