Aktivierte Übergangsmetallionen (TM) werden aufgrund ihrer hervorragenden Leistungsfähigkeit und ihres Anwendungspotenzials in Bereichen wie nahinfraroter Lumineszenz, Infrarotlasern, fluoreszenzkonvertierten weißen LEDs, fluoreszenzbasierter Thermometrie und Nachleuchten intensiv erforscht. TM-Ionen können in Festkörpern verschiedene Koordinationsstellen wie acht-, sechs- und vierfach koordinierte Positionen einnehmen, verschiedene Oxidationszustände aufweisen, und ihre optischen Übergangseigenschaften hängen stark von der Kristallumgebung ab, was die Bestimmung von Lumineszenzzentren, das Verständnis der Emissionsmechanismen und die Leistungsprognose erschwert. Diese Arbeit untersucht mit Hilfe von Erstprinziprechnungen die thermodynamischen Eigenschaften und optischen Übergänge von TM-Ionen in Festkörpern. Der Inhalt umfasst: Analyse der intrinsischen Defekte der Matrix sowie der Position, Oxidationszustände, Verteilung und Konzentration der TM-Ionen anhand der Berechnung der Bildungsenergien unter verschiedenen chemischen Bedingungen; Verständnis der verschiedenen angeregten Zustände und Energiestrukturniveaus der TM-Ionen in unterschiedlichen kristallinen Umgebungen; Erstellung von Konformationskoordinatendiagrammen zur Analyse von Anregung, Relaxation, Emission und Quenching-Prozessen; Vorschläge zur Steuerung oder Optimierung der Position, Oxidationszustände und optischen Übergänge der TM-Ionen durch Synthesebedingungen, Koexistenzbedingungen und Ionen-Co-Dotierung. Die Arbeit stützt sich auf mehrere repräsentative Systeme und zeigt, wie Erstprinziprechnungen zur Untersuchung leuchtender Festkörpermaterialien mit TM-Ionen eingesetzt werden können. Konkrete repräsentative Systeme und Forschungsinhalte umfassen: den Mechanismus der Restabsorption im Ti:Al₂O₃-Laserkristall und Methoden zu dessen Reduzierung oder möglichst vollständigen Elimination, die Position, Anregung, Relaxation, Emission und optische Übergangseigenschaften der Mn²⁺-, Mn³⁺- und Mn⁴⁺-Ionen in typischen Spinell- und Granatmatrizen sowie die Position, Oxidationszustände und entsprechenden optischen Übergangseigenschaften der Chrom-Ionen in Feststofflösungsoxidmatrizen, was zeigt, dass Erstprinziprechnungen zur Erforschung von Mechanismen, rationalem Design und Optimierung leuchtender Materialien genutzt werden können.

Übergangsmetallionen; optische Übergänge; Erstprinziprechnungen