WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

Физика твердого тела, 1998, том 40, № 1446 А.А. Каплянский, А.Б. Кулинкин, А.Б. Куценко, С.П. Феофилов, Р.И. Захарченя, Т.Н. Василевская ская энергетическая структура возбужденных состояний Таблица 2. Энергия штарковских подуровней ионов Er3+ в -Al2O3 найдена из спектров поглощения при 5 K, отвечающих переходам из нижнего подуровня штарковского расщеЧисло Терм Энергия, cm-1 пления основного состояния I15/2. Наблюдаемое на компонент опыте при 5 K число линий поглощения, отвечающих пе4 4 I15/2 8 0, 51, 168, 218, 267, 382, 437, реходам в состояния I13/2,11/2,9/2, F9/2,7/2,5/2,3/2, S3/2, F9/2 5 15 260, 15 342, 15 373, 15 396, 15 H11/2,9/2 (соответственно 7, 6, 5, 5, 4, 3, 2, 2, 6, 5), S3/2 2 18 403, 18 H11/2 6 19 120, 19 164, 19 190, 19 242, 19 275, 19 F7/2 4 20 479, 20 555, 20 619, 20 F5/2 3 22 193, 22 262, 22 F3/2 2 22 528, 22 H9/2 5 24 480, 24 528, 24 667, 24 697, 24 3+ b) - Al O : E r. В спектре поглощения 2 образцов при T = 77 K на месте всех указанных выше неоднородно-уширенных полос поглощения -Al2O3 : Er3+ (рис. 4, a) наблюдаются тесные группы узких линий, отвечающих переходам между штарковскими подуровнями нижнего состояния I15/2 и подуровнями 4 4 верхних состояний I13/2,11/2,9/2, F9/2,7/2,5/2,3/2, S3/2, H11/2,9/2 (рис. 4, b).

В спектре люминесценции образцов -Al2O3 : Er3+ при T = 77 K при возбуждении He–Cd-лазером 441.6 nm верхних уровней Er3+ 4F3/2 наблюдаются переходы из нескольких нижележащих состояний: S3/2 (переходы 4 4 4 S3/2-4I15/2, S3/2-4I13/2), F9/2 (переход F9/2-4I15/2) 4 и I13/2 (ИК-переход I13/2-4I15/2, см. рис. 5). В соответствующих спектральных областях наблюдаются тесные группы узких линий, отвечающих переходам между штарковскими подуровнями верхнего и нижнего состояний.

Детальный анализ сложной линейчатой структуры спектров поглощения и люминесценции -Al2O3 : Er3+ при 77 и 5 K позволил сделать вывод о существовании Рис. 5. Спектр ИК-люминесценции ионов Er3+ в -Al2Oединственного доминирующего физического типа цен(переход I13/2-4I15/2). T = 300 K.

тров Er3+ в корунде, ответственного за наблюдаемые на опыте линейчатые спектры Er3+. В табл. 2 приведена энергетическая схема штарковской структуры электронных состояний ионов Er3+ в кристаллах -Al2O3, в рамках которой могут быть идентифицированы основные наблюдаемые на опыте линии в спектрах поглощения и люминесценции -Al2O3 : Er3+. Для построения схемы использованы измерения спектров поглощения и люминесценции при 5 K. При столь низкой температуре в начальном состоянии иона заселенным оказывается только нижний штарковский подуровень, и из положения спектральных линий прямо находится энергетическая структура конечного электронного состояния. Как следует из табл. 2, число проявляющихся на опыте в спектрах штарковский подуровней для всех электронных состоя2S+ний LJ иона Er3+ оказывается равным J + 1/2, т. е.

соответствует максимально полному снятию вырождения в кристаллическом поле, возможному для уровней Рис. 6. Спектр поглощения -Al2O3 : 1 at.% Er3+ при T = 5K крамерсова иона, каким является Er3+ (4 f ). Штарков- в области переходов I15/2-4F3/2,5/2,7/2.

Физика твердого тела, 1998, том 40, № Оптические спектры трехзарядных редкоземельных ионов в поликристаллическом корунде 4 Рис. 7. Спектр люминесценции -Al2O3 : 1 at.% Er3+ при T = 5K (переходы S3/2-4I15/2, F9/2-4I15/2). На вставке — штарковская структура основного состояния I15/2.

во всех случаях равно максимально возможному числу ковских подуровней I15/2). Согласно [10], частотам (J + 1/2) штарковских подуровней при полном снятии 500 cm-1 отвечает высокая плотность фононных совырождения конечных возбужденных состояний (см., стояний -Al2O3. Таким образом, обсуждаемые конечнапример, рис. 6). Штарковская структура основного ные состояния имеют возможность быстро релаксиросостояния I15/2 определена из состоящий из восьми вать в однофононных процессах с испусканием фононов линий опытных спектров люминесценции S3/2-4I15/2 500 cm-1, что приводит к укорочению времени жизни состояний и наблюдаемому уширению спектральных пеи F9/2-4I15/2 при 5 K, обусловленных переходами из 4 реходов на них.

нижайшей компоненты штарковского расщепления S3/2, 4 4 Рассмотренные выше линейчатые спектры F9/2 на восемь штарковских подуровней I15/2. Заметим, -Al2O3 : Er3+, принадлежащие одному доминирующему что в этих переходах, как и во всех других переходах типу ионов Er3+ в решетке корунда, наблюдаются в в -Al2O3 : Er3+, в спектрах на опыте обнаруживаются ”чистом виде” у монофазных образцов (корунд), которые с той или иной интенсивностью практически все в содержат малую концентрацию Er3+ (c 1 at.%). В принципе возможные оптические переходы между штарто же время у образцов с большей концентрацией ковскими подуровнями различных электронных состояEr, как и у образцов, отжиг которых не обеспечил ний Er3+.

их монофазности, в спектрах в области переходов в Большинство линий поглощения и люминесценции Er3+ обычно наблюдаются дополнительные узкие линии.

узки, и их ширина ( 0.1nm) обусловлена неодноПоследние могут принадлежать как взаимодействующим родным уширением. Вместе с тем обращает на сеионам Er3+ в корунде, так и ионам Er3+, входящим бя внимание очень сильное уширение ряда линий в отличные от корунда кристаллические фазы в в спектрах поглощения (4I15/2-4F3/2, рис. 6) и люгетерофазном образце.

минесценции (три длинноволновые линии в спектре Следует также отметить, что при возбуждении иоS3/2-4I15/2, рис. 7). Примечательно, что в обоих нов Er3+ в переходе I15/2-4I11/2 наблюдается up-конслучаях в энергетическом спектре Er3+ ниже конечверсионная люминесценция, обусловленная переходами 4 ных уровней существуют другие состояния, располос более высоких уровней S3/2 и F9/2 в основное состоженные на расстоянии около 500 cm-1 (уровень F5/яние. Детальное выявление механизмов этой люминесниже F3/2, основной уровень Er3+ ниже верхних штар- ценции является предметом дальнейших исследований.

Физика твердого тела, 1998, том 40, № 1448 А.А. Каплянский, А.Б. Кулинкин, А.Б. Куценко, С.П. Феофилов, Р.И. Захарченя, Т.Н. Василевская 3) Спектры ионов Pr3+ Затухание этой линейчатой люминесценции происходит по экспоненте с 0.12 ms. Узколинейчатый характер В спектре люминесценции Pr3+ наблюдались пере-Al2O3 : Pr3+ спектров свидетельствует об образовании 1 ходы из двух верхних состояний D2 и P0 на уровни в корунде регулярных центров Pr3+.

основного мультиплета H4,5,6 при неселективном возбуждении светом Hg-лампы ( = 350-420 nm). Изза большого числа компонент мультиплета и перело- 3. Обсуждение результатов 1 жения переходов D2-3H4 и P0-3H6 спектр оказываИзложенные выше результаты показывают, что трехется достаточно сложным. В спектре люминесценции n зарядные ионы редких земель RE3+ (4 f ) могут быть -Al2O3 : Pr наблюдаются широкие полосы, что связано внедрены в кристаллическую решетку корунда -Al2Oс сильным неоднородным уширением, обусловленным при синтезе поликристаллических образцов с использоструктурной разупорядоченностью -фазы. В спектрах ванием ЗГ-технологии. При этом ионы RE3+ образуют люминесценции -Al2O3 : Pr структура этих полос разрев решетке корунда строго определенный тип оптичешается, и в спектре видны достаточно узкие линии. Пуn ских центров с характерным для данного иона 4 f тем перестройки лазера в области H4-1D2-перехода в линейчатым спектром, возникающим при f - f -переходах -Al2O3 : Pr удается найти длины волн возбуждения, при между расщепленными в кристаллическом поле уровнякоторых возбуждается четкий узколинейчатый спектр n ми 4 f -конфигурации. Наблюдаемая малая неоднородная люминесценции (рис. 8). При гелиевой температуре ширина спектральных линий типична для f - f -спектров спектр состоит из трех линий, две из которых обраионов RE3+ в объемных диэлектрических кристалличезуют более интенсивный дублет (40 cm-1). Эти три ских матрицах. Примесные ионы RE3+ располагаются линии естественно интерпретировать как переходы с в объеме кристаллитов -Al2O3 (локализация ионов на нижайшего штарковского подуровня D2 на подуровни поверхности кристаллитов привела бы к множественH4. При повышении температур до азотной и далее ности оптических центров и к большей неоднородной до комнатной наблюдается коротковолновая реплика ширине линий). Что касается свойств локальной симмедублета, соответствующая переходам с подуровня D2, трии RE3+ центров, то вывод о некубической симметрии лежащего на 179 cm-1 выше нижнего D2-подуровня.

локального кристаллического поля (прямо следующий из наблюдения остающегося чисто крамерсова вырождения уровней иона Er3+ и факта расщепления F1 уровня Eu3+), по-видимому, может быть уточнен: наблюдение дублетного (не триплетного) расщепления F1-уровня (две компоненты D0-7Fn, рис. 3, c, d), возможно, свидетельствует об аксиальном характере симметрии центра.

Вопрос о детальной — на атомном уровне — физической структуре RE3+-центра в решетке корунда -Al2Oостается открытым. Чрезвычайно большая разница величин ионных радиусов RE3+ (Er3+ — 0.88, Eu3+ — 0.95 ) и иона Al3+ (0.51 ) делает проблематичным использование модели простого изозарядного замещения RE3+(Al3+), справедливой при активации корунда ионами группы железа. Вместе с тем замещение RE3+(Al3+) может в принципе сопровождаться существенной перестройкой ближайшего окружения, обеспечивающей необходимое пространство для внедрения большого по размеру иона RE3+ (в [11] при обсуждении модели центров Y3+ в Al2O3 обсуждалось образование вакансий в окружающем ион кислородном октаэдре). В [1] в результате исследования местоположения в решетке -Al2O3 имплантированных ионов Er3+ с помощью метода обратного резерфордовского рассеяния и каналирования сделан вывод о локализации Er3+ в октаэдрических пустотах решетки. Хотя общий вид спектров люминесценции Er3+ в ИК-области (4I13/2-4I15/2) близок у наших образцов -Al2O3 : Er3+ и имплантированных ионами Er3+ монокристаллов корунда [12], детальное сравнеРис. 8. Спектры флуоресценции Pr3+ в оксиде алюминие спектров затруднительно из-за разных условий их ния при 77 K в -фазе. a — нерезонансное возбуждение exc = 441.6nm, b — exc = 595.9nm. измерений (спектральное разрешение). Вообще следует Физика твердого тела, 1998, том 40, № Оптические спектры трехзарядных редкоземельных ионов в поликристаллическом корунде иметь в виду, что в условиях ЗГ-синтеза материала, где активация редкими землями происходит одновременно с созданием наночастиц оксида алюминия при умеренных температурах, могут создаваться достаточно специфические центры, включающие ион RE3+. Для выяснения детальной структуры центров предполагается использовать методы (магнитный резонанс и др.), чувствительные к атомному окружению ионов RE3+.

Авторы благодарны О.Б. Гусеву за помощь в измерениях ИК-спектров люминесценции корунда с Er3+, А.Н. Титкову за содействие в работе с атомно-силовым микроскопом и С.А. Басуну за измерения низкотемпературных спектров корунда, легированного Er3+. Авторы признательны также А.В. Анкудинову за проведение измерений на атомно-силовом микроскопе.

Работа выполнена в рамках проектов целевых программ ”Физика твердотельных наноструктур” и ”Лазерная физика”.

Список литературы [1] E. Alves, M.F. da Silva, G.N. van den Hoven, A. Polman, A.A. Melo, J.C. Soares. Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res.

Section B [Beam Interactions with Materials and Atoms] B106, 429 (1995).

[2] S.P. Feofilov, A.A. Kaplyanskii, A.B. Kutsenko, T.N. Vasilevskaya, R.I. Zakharchenya. Mater. Sci. Forum 239–241, 687 (1997); S.P. Feofilov, A.A. Kaplyanskii, R.I. Zakharchenya. J. Lumin. 72–74, 41 (1997).

[3] B.E. Yoldas. J. Appl. Chem. Biotech. 23, 803 (1973);

Р.И. Захарченя, И.К. Мешковский, Ф.С. Каплан. ДАН СССР 314, 393 (1990).

[4] R.I. Zakharchenya, T.N. Vasilevskaya. J. Mater. Sci. 29, (1994).

[5] K.W. Jang, R.S. Meltzer. Phys. Rev. B52, 9, 6431 (1995).

[6] Th. Schmidt, R.M. Macfarlane, S. Vlker. Phys. Rev. B50, 15 707 (1994).

[7] M. Buijs, A. Meyerink, G. Blasse. J. Lumin. 37, 1, 9 (1987);

B. Bihari, H. Eilers, B.M. Tissue. J. Lumin. 75, 1, 1 (1997).

[8] J.P. van der Ziel, L.G. Van Uitert. Phys. Rev. 180, 2, (1969).

[9] G.N. van Hoven, E. Snoeks, A. Polman, J.W.M. van Uffelen, Y.S. Oei, M.K. Smit. Appl. Phys. Lett. 62, 3065 (1993).

[10] H. Bialas, H.J. Stolz. Z. Phys. B21, 319 (1975).

[11] M.K. Loudjani, C. Haut, S. Parisot. Rad. Eff. Def. Sol. 134, 233 (1995).

[12] G.N. van der Hoven. Erbium-doped photonic materials based on silicon. Thesis. Universiteit Ultrecht (1996).

Физика твердого тела, 1998, том 40, №

Pages:     | 1 ||



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.