Synthesis of lanthanide containing oxides and hydroxides : new concepts for the control of morphology and functional properties

Aufgrund der potentiellen Anwendungen in optischen Bauteilen, als Biomarker oder Kontrastmittel wächst das Interesse an Ln-haltigen nanokristallinen Materialien stetig. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit neuen Konzepten zur morphologie- und phasenkontrollierten Synthese von Ln-Oxiden und Hydroxiden. Dazu wurden Ln-Alkoxide mit unterschiedlichen Liganden und Metallkombinationen synthetisiert und ihre Eignung als Vorstufen für die Materialsynthese mittels Solvothermal-, Sol-Gel- und CVD-Prozess untersucht. Insbesondere der Einfluss der Precursorchemie auf die hydrolyse- und kondensationsbestimmenden Schritte der Materialbildung wurde eingehend analysiert, wobei die strukturellen Unterschiede im Molekülaufbau unterschiedliche Tendenzen bezüglich Morphologie und Nebenphasenbildung bewirken. Die Kontrolle der Prozessparameter ermöglicht abhängig von der Precursorchemie die Synthese von Ln(OH)3, LnOOH, LnCl(OH)2 und LnOCl. Die Steuerung der Keimbildungsprozesse durch Zusatz von Additiven erlaubt verschiedene Morphologien von Stäbchen bis hin zu Partikeln. Neben monometallischen anorganischen Phasen wurden lumineszierende Komposite dargestellt, in denen optisch aktive Tb3+-Ionen in einer inaktiven Matrix eingebettet sind. In Hinblick auf eine Anwendung in der Nanomedizin wurden Gd(OH)3-Nanostrukturen bezüglich ihrer Zelltoxizität analysiert und Versuche zur Oberflächenfunktionalisierung der Nanomaterialien sowie zur Darstellung von Kern-Schale-Strukturen unternommen. Given the application potential of lanthanide-based materials in optoelectronic devices, biomarkers and contrast agents there is currently enormous interest in the controlled synthesis of nanocrystalline phases. In this work, lanthanide alkoxides with different ligands and metal combinations were synthesized and their molecular structures were determined. The suitability of the obtained compounds as precursors for material synthesis by solvothermal, sol-gel and CVD process was investigated to illustrate influence of precursor chemistry on hydrolysis and condensation reactions. Depending on precursor chemistry and process parameters, the solvothermal treatment resulted in nanocrystalline Ln(OH)3, LnOOH, LnCl(OH)2 and LnOCl. Variation of additives allowed a precise control over the morphology of Ln(OH)3 phases ranging from nanorods to nanoparticles. Besides monometallic inorganic phases, luminescent nanocomposites containing optically active Tb3+-ions in an optically silent matrix were prepared. To demonstrate their potential applications in nanomedicine, cell toxicity of Gd(OH)3 structures was investigated and first effort toward the surface functionalization of nanostructures was undertaken to fabricate core-shell-structures.