Persistent Phosphors for Smartphone-Based Luminescence Thermometry and Anti-Counterfeiting Applications
Creators: name: Katumo, Ngei
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: Anti-counterfeiting
persistent phosphors
Smartphone-based anti-counterfeiting
Luminescence thermometry

description: Leuchtstoffe anhaltender Lumineszenz im sichtbaren Spektrum eröffnen neue Möglichkeiten für Smartphone-basierte Anwendungen. Videoaufnahmen mit dem Smartphone mit 30 Bildern pro Sekunde können persistente Lumineszenzlebenszeiten einer Größenordnung von 100 ms und länger bestimmen. Die mit dem Smartphone aufgezeichneten Daten können benutzt werden um Anwendungen zu realisieren, die ansonsten nur für kurze Lebenszeiten möglich sind. Diese Alternative umgeht den Bedarf an teuren und relativ komplizierten Messinstrumenten, die für die Detektion von kurzen Lebenszeiten eingesetzt werden, wie zum Beispiel Multichannel scaling, Hochgeschwindigkeitskameras und Mikroskope zur Messung der Fluoreszenzlebenszeit. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Detektion anhaltender Lumineszenz für Temperaturmessung und Anwendungen zur Fälschungssicherung mit dem Smartphone. Für die Smartphone-basierte Temperaturmessung wurde ein optimierter Gd2O2S: Eu3+ als Leuchtstoff verwendet, der mithilfe einer UV-Quelle angeregt werden kann. Der Leuchtstoff zeigte eine temperaturabhängige Lumineszenz, die hell und lange anhaltend genug war, um mit einer Smartphone-Kamera mit 30 Bildern pro Sekunde aufgezeichnet zu werden. Der Leuchtstoff hat eine Photolumineszenz-Quantenausbeute von 65 % und seine Lebenszeit nimmt mit steigender Temperatur ab. Dies wurde beobachtet über einen Temperaturbereich von 270 K bis 338 K, in dem die Lebenszeit von 1107 ms bis auf 100 ms abfiel. Die Analyse der zeitintegrierten Emission mit dem Smartphone nach einer Anregung mit 375 nm zeigte, dass die Temperaturen im Bereich von 270 K bis 338 K präzise gemessen werden konnten mit einer Messungenauigkeit unter 2 K. Darüber hinaus wurde die Lebenszeitmessung nicht durch Hintergrundstrahlung beeinträchtigt und ermöglichte somit eine genaue Temperaturmessung auch bei einer Hintergrundbeleuchtungsstärke von bis zu 1500 lx. Um eine Smartphone-basierte Fälschungssicherung zu realisieren wurden anhaltende Leuchtstoffe mit einstellbarer Lebenszeit bei Raumtemperatur benutzt, um dynamische, lumineszierende Etiketten zu entwickeln. Dynamische Fälschungssicherung wurde mithilfe von Ti4+-dotierten Gd2O2S: Eu3+ realisiert, wobei die Ti4+-Dotierung eine Kontrolle der Lebenszeit bei Raumtemperatur ermöglicht. Durch eine Veränderung der Kodotierung von 0 bis 0.09 mol% konnte die Lebenszeit von 1.17 ± 0.02 bis 5.95 ± 0.07 s durchgestimmt werden mit einer Anregung bei 375 nm. Durch eine Kombination von Leuchtstoffen mit verschiedenen Lebenszeiten konnten somit dynamische Etiketten zur Fälschungssicherung entwickelt werden. Die Lebenszeit der Leuchtstoffe für diese dynamischen Muster bestimmte dabei die Komplexität der Fälschungssicherung. Solche Muster, die aus einer Kombination von Leuchtstoffen mit großen Unterschieden in der Lumineszenzlebenszeit entwickelt wurden, konnten mit bloßem Auge beobachtet werden. Im Gegensatz dazu sind zeitliche Änderungen in Etiketten mit viel kürzerer Lebenszeit im Bereich von 0.2 s nur schwer mit bloßem Auge nachzuvollziehen. Mithilfe der Smartphone-Kamera mit einer Aufzeichnungsrate von 30 Bildern pro Sekunde können die versteckten Merkmale jedoch leicht entschlüsselt werden. In Hinblick auf die tatsächliche Anwendung am Verkaufsort, ist eine UV-Quelle einerseits normalerweise nicht vorhanden in einem Smartphone und andererseits stellt der Einsatz von UV-Strahlung für die Anregung der Leuchtstoffe eine Gesundheitsrisiko dar. Um die Nutzung einer UV-Quelle gänzlich zu vermeiden, wurden zweifarbige dynamische Etiketten zur Fälschungssicherung entwickelt. Diese erlauben eine Anregung mithilfe eines herkömmlichen Smartphone-Blitzlichtes während die Emission einfach mit der Kamera aufgezeichnet werden kann. Zu diesem Zweck wurden grün emittierende (SrAl2O4: Eu2+, Dy3+ (SAED)) und rot emittierende (CaS: Eu2+ und SrS: Eu2+) Leuchtstoffe entwickelt. Die Lebenszeit von SAED konnte variiert werden von 0.5 s bis 11.7 s durch Glühen des kommerziell erhältlichen Stoffes, was eine Verringerung der Störstellendichte im Material zur Folge hat. Die Lumineszenzlebenszeit von CaS: Eu2+ und SrS: Eu2+ konnte dagegen zwischen 0.1 bis 0.6 s und 150 bis 377 ms eingestellt werden mithilfe der Eu2+-Dotierdichte. Die Nutzung eines Smartphones ermöglicht nicht nur lebenszeit-basierte Temperaturmessungen ohne teure Messinstrumente, sondern eröffnet darüber hinaus eine kostengünstige Methode zur Authentifizierung von lumineszenzbasierten, dynamischen Markierungen zur Fälschungssicherung.