Synthetischer GranatWeiter oben hatte ich angemerkt, dass die Granatstruktur hervorragend geeignet ist, um Leuchtzentren aufzunehmen. Tatsächlich gibt es eine lange Reihe von Verbindungen mit Granatstruktur, die auf ihre Eignung als Phosphor (Leuchtstoff) für allgemeine Beleuchtungszwecke oder Spezialanwendungen hin untersucht wurden. Ein paar wahllos herausgegriffene Beispiele:
Y
3Al
5O
12:Ce
3+ (1)
Gd
3(Al,Ga)
5O
12:Ce
3+ (1)
Tb
3Al
5O
12:Ce
3+ (1)
Ca
3Sc
2Si
3O
12:Ce
3+ (1)
Ca
2GdZr
2(AlO
4)
3:Ce
3+ (1)
Y
3Sb
2Al
3O
12:Ce
3+ (1)
Ca
3-xLu
xHf
2Al
2+xSi
1−xO
12:Cr
3+ (2)
(Y,Lu,Gd)
3Ga
5O
12:Fe,Cr,Nd (3)
Ca
3(Nb, Ga)
2Ga
3 O
12:Nd
3+ (4)
Li
5La
3Nb
2O
12:Eu
3+ (5)
...
Da gibt es auch noch einige mehr, auch mit anderen Dotierungen wie z.B. Mn
4+, Cr
4+, Ni
2+ oder Pr
3+, Yb
3+, Tm
3+, Er
3+, Ho
3+. Steckbriefe einiger Phosphore auf Granat-Basis finden sich auf der Seite von
Prof. Thomas Jüstel der FH Münster mit ihren Spektren und ein paar wichtigen Charakteristiken. Das Feld ist sehr groß, da werde ich hier nur einen kleinen Einstieg geben können.
Um das greifbarer zu machen, zeigen die nachfolgenden Bilder einen geschliffenen Kristall - YAG:Ce (Y
3Al
5O
12:Ce
3+). Unter Beleuchtung mit UV (ca 340 nm) aber vor allem unter Beleuchtung mit blauem Licht (460 nm) leuchtet YAG:Ce intensiv gelb (peak 560 nm, centroid 588 nm), cgl Ref 6. Dies macht diesen Leuchtstoff perfekt geeignet, um zusammen mit einer blauen LED eingesetzt zu werden: das Ergebniss sind die Weisslicht-LED, wobei weiß aus blau+gelb entsteht.
Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien
Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien
Wie sieht es dazu bei natürlichem Granat aus?
Manganhaltiger Grossular, Ca3Al2Si3O12:MnSpeziell von der Sierra de Cruces in Mexiko ist manganhaltiger Grossular bekannt, der mehr oder minder intensiv himbeerfarben auftritt (7). Ähnliches Material gibt es wohl auch von anderen Fundstellen, z.B. der Jeffrey Mine/Asbestos/Québec. Wenn nun Mangan in der richtigen Konzentration eingebaut ist und kaum durch Eisen beeinflusst wird, dann ergibt sich die pinke Farbe des Grossulars (durch zusätzliches Eisen orange-braun). Und dann kann dieser Granat leuchten. Dabei liegt die Mn-Konzentration über der des Eisens, ist aber dennoch eher gering, z.B.(Ref. 7): Ca
2.94Mn
2+0.1Al
1.9Mg
0.09Fe
3+0.05Mn
3+0.01Si
2.97O
12Diese Zusammensetzung ist weit weg von Spessartin, Mn
3Al
2Si
3O
12. Nur weil die Konzentration des Mn geeignet klein ist - und der Beitrag von Fe noch kleiner - kann dieser Granat leuchten. Die folgenden Beispiele zeigen den lumineszierenden Grossular der Sierra de Cruces.
Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien
Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien
Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien
Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien
Dabei kann in diesem Grossular sowohl das zweiwertige Mn (Mn
2+), das auf einem Ca
2+-Platz sitzt leuchten, als auch das Mn
3+-Ion auf einem Al
3+-Platz. Diese beiden Lumineszenzen unterscheiden sich deutlich (8): während Mn3+ eher tiefrot bei rund 658 nm leuchtet - und im UV angeregt werden kann -, leuchtet das Mn2+ Ion orange bei rund 608 nm, und wird auch bei 405 nm angeregt (vgl auch Ref 9). In den nachfolgenden Bilder lässt sich dies gut erkennen: links, Anregung bei UV 365 nm, Mitte: Anregung mit LD 405 nm und rechts der Grossular unter Weisslicht.
Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien
Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien
Mineralienbilder: Lumineszierende Mineralien
Grüße,
Martin
(1) Xia, Z., & Meijerink, A. (2017). Ce 3+-Doped garnet phosphors: composition modification, luminescence properties and applications. Chemical Society Reviews, 46(1), 275-299.
(2) Zhang, L., Wang, D., Hao, Z., Zhang, X., Pan, G. H., Wu, H., & Zhang, J. (2019). Cr3+‐doped broadband NIR garnet phosphor with enhanced luminescence and its application in NIR spectroscopy. Advanced Optical Materials, 7(12), 1900185.
(3) Kniec, K., Ledwa, K., Maciejewska, K., & Marciniak, L. (2020). Intentional modification of the optical spectral response and relative sensitivity of luminescent thermometers based on Fe 3+, Cr 3+, Nd 3+ co-doped garnet nanocrystals by crystal field strength optimization. Materials Chemistry Frontiers, 4(6), 1697-1705.
(4) Kaminskij, A. A., Belokoneva, E. L., & Butashin, A. V. (1986). Crystal structure and spectral luminescent properties of cation-deficient garnet Ca 3 (Nb, Ga) 2 Ga 3 O 12-Nd 3+. Izv. Akad. Nauk SSSR, Neorg. Mater, 22(7), 1061-1071.
(5) Zhang, X., Meng, F., Wei, H., & Seo, H. J. (2013). Eu3+ luminescence in novel garnet-type Li5La3Nb2O12 ceramics. Ceramics International, 39(4), 4063-4067.
(6)
Datenblatt Y3Al5O12:Ce; PISA, Prof. Thomas Jüstel, FH Münster(7) Geiger, C. A., Stahl, A., & Rossman, G. R. (1999). Raspberry-red grossular from Sierra de Cruces Range, Coahuila, Mexico. European Journal of Mineralogy, 11(6), 1109-1113.
(8) Gaft, M., Reisfeld, R., & Panczer, G. (2015). Modern luminescence spectroscopy of minerals and materials. Springer.
(9)
3dz2.com von Simone Conti