WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Наличие в спектрах ФЛ линий 550, 860, 980 и 1240 nm свидетельствует, что эрбий не находится внутри сфер a-SiO2. Для Er3+ в матрице a-SiO2 наблюдалась бы только одна линия излучения (4I13/2 I15/2) в области 1.5 µm [13], так как из-за большой энергии оптического фонона в a-SiO2 (1100 cm-1) вероятность безызлучательной многофононной релаксации (МФР) для всех возбужденных состояний кроме I13/2 намного превышает вероятность излучательных переходов. В феноменологической модели МФР предполагается, что при безызлучательном переходе испускаются несколько фононов одной частоты [26], которые эффективно взаимодействуют с ионом Er3+ и имеют максимально возможную энергию. Минимальное число фононов, которое Рис. 3. Спектр фотолюминесценции композита опал-эрбий может быть испущено, есть n = E/. Вероятность в видимом (a) и ближнем инфракрасном (b) диапазонах МФР определяется эмпирическим экспоненциальным при T = 80 K. Образец подвергнут отжигу на воздухе при законом: WMPR = C exp(- E), где C и — полоT = 850C длительностью 1 час. Пики 1–5 — линии жительные константы, характеризующие вещество, в фотолюминесценции ионов Er3+, соответствующие переходам 4 4 4 4 4 котором находится редкоземельный ион, E —энергия S3/2 I15/2 (550 nm), S3/2 I13/2 (860 nm), I11/2 I15/4 4 4 (980 nm), S3/2 I11/2 (1240 nm) и I13/2 I15/2 (1530 nm). между релаксирующим и следующим нижним уровнем иона, ближайшим по энергии [27]. Для возбужденных 4 4 состояний S3/2, I11/2 и I13/2 энергия E составляет порядка 3000, 3600 и 6500 cm-1 соответственно. Верофотонно-кристаллической структуры (photonic band gap ятность МФР экспоненциально уменьшается с увеличеstructure) у синтезированного композита. Присутствие нием числа фононов n, принимающих участие в этом небольшого количества полностью заполненных пор не процессе. Если число фононов n 3, излучательная реприводит к существенному нарушению периодичности комбинация полностью подавляется безызлучательной.

изменения диэлектрической проницаемости.

Если n 10, то вероятность МФР очень мала [28]. При На рис. 3 изображен общий вид спектра ФЛ компоэнергии оптического фонона 1100 cm-1 релаксация зита опал-эрбий в видимой и ближней инфракрасной 4 возбужденных состояний S3/2 и I11/2 происходит с областях при T = 80 K. Отчетливо видны пять узких участием трех, а релаксация I13/2 — шести фононов.

пиков ФЛ (550, 860, 980, 1240 и 1530 nm), обозначенных Поэтому для Er3+ в a-SiO2 заселенность возбужденных на рисунке соответственно цифрами 1–5. Пики иден4 состояний S3/2 и I11/2 мала, и люминесценция, сооттифицированы как линии излучения, соответствующие ветствующая переходам с этих уровней, не наблюдается.

следующим оптическим переходам в оболочке 4 f Рассмотрим подробнее форму линии перехода 4 4 4 4 4 иона Er3+: S3/2 I15/2, S3/2 I13/2, I11/2 I15/2, 4 S3/2 I15/2 (550 nm) ФЛ композита (спектр 1 на 4 4 4 S3/2 I11/2, I13/2 I15/2 [23]. Схема уровней рис. 5). Для сравнения на этом рисунке приведен также иона Er3+ и наблюдаемые экспериментально переходы спектр реперного образца Er2O3 (кривая 2). В качестве изображены на рис. 4. Таким образом, в синтезированном композите ионы Er3+ эффективно люминесцируют в видимой и ближней инфракрасной областях. Приведенные спектры не скорректированы с учетом спектральной чувствительности приемников излучения. Вследствие падения чувствительности InGaAs-фотодиода в области 700-940 nm действительная амплитуда пика 860 nm больше в несколько раз. Слабая широкая полоса ФЛ, центрированная на длине волны порядка 1100 nm, и широкая полоса в области 600-700 nm, возможно, связаны с излучающими дефектами материала опаловой матрицы.

Отметим, что ФЗЗ для исследованного образца нахоРис. 4. Схема энергетических уровней иона Er3+. Сплошныдится в области 520 nm (спектр 2 на рис. 2) и не ми стрелками, направленными вниз, показаны излучательные перекрывается с энергиями наблюдаемых излучающих переходы между уровнями иона Er3+, наблюдаемые в спекпереходов иона Er3+. Влияние ФЗЗ на спонтанную трах фотолюминесценции композита. Стрелкой, направленной эмиссию Er3+ в композите опал-эрбий, когда спектральвверх, показан переход, использованный для возбуждения ное положение ФЗЗ совпадает с конкретной линией фотолюминесценции. Штриховые стрелки — переходы, произлучения Er3+, будет рассмотрено в следующей работе. исходящие при безызлучательной многофононной релаксации.

Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. Структурные, фотонно-кристаллические и люминесцентные свойства композита опал-эрбий пии. На рис. 6, a приведено увеличенное изображение одной сферы, окруженной шестью порами. Изображение снято в том месте композита, где имеются полностью заполненные поры (аналогичном указанному стрелкой на рис. 1). Три нижние поры и четвертая слева вверху частично заполнены, остальные две — пустые. Для частично заполненных пустот характерно наличие тонкого слоя ( 3nm) темного контраста на поверхности сфер, что свидетельствует о наличии в нем вещества (элемента с большим значением порядкового номера z ) с более высоким коэффициентом поглощения электронов в сравнении с таковым для силикатной сферы (z = 14).

В пустых порах на поверхности сфер также видны следы слоя (с не очень отчетливой границей) более темного контраста, чем сфера. Это может свидетельствовать о Рис. 5. Линия фотолюминесценции, соответствующая излуча4 4 начале осаждения наполнителя на поверхность сферы тельному переходу S3/2 I15/2 ионов Er3+ в композите опалили его химического взаимодействия с ней. Основываясь эрбий (1) и в кристаллической пленке Er2O3 (2).

на технологии введения наполнителя в данном эксперименте, естественно предположить, что слой обогащен эрбием (z = 68). В рассматриваемых четырех заполненреперного образца использовалась пленка Er2O3 на сапных порах, кроме тонкого слоя на поверхности сфер, фировой подложке, полученная по технологии, которая видны кристаллиты темного контраста.

применялась нами для синтеза оксида эрбия в порах На рис. 7, a представлено электронно-микроскопиопала, а затем отожженная, как и композит опал-эрбий, ческое изображение области границы между сферой на воздухе при температуре 850C в течение 1 часа.

a-SiO2 (светлый контраст) и слоем на ее поверхно4 Спектр перехода S3/2 I15/2 в реперном образце сти (темный контраст), полученное в режиме высопредставляет собой дискретный набор узких линий.

кого разрешения. В слое темного контраста, как и в Идентификация спектров ФЛ реперного образца с исобласти силикатной сферы, отсутствуют следы упоряпользованием известных значений уровней энергии Er3+ доченной (кристаллической) структуры. Это позволяет в кристаллическом Er2O3 [29] показала, что на подложке утверждать, что вещество приповерхностного слоя на действительно сформировался кристаллический Er2O3.

силикатной сфере находится в аморфном состоянии.

4 Форма линии перехода S3/2 I15/2 в спектре ФЛ На рис. 7, b представлено изображение границы сферы ионов Er3+ в составе композита (спектр 1 на рис. 5) a-SiO2 с материалом, полностью заполняющим пору представляет широкий контур со слабо различимой (темный контраст). Материал в ней имеет поликристалструктурой, которая состоит из нескольких узких пиков лическую структуру. Чередование пятен более темного малой амплитуды. Пик 564 nm практически совпадает и более светлого контраста связано с неоднородной по положению и ширине с самой сильной штарковской толщиной кластера (вещества в поре). Более темный линией в спектре Er2O3. Более слабые пики в спектре контраст появляется при наложении отдельных кристал(556, 553, 551 и 548 nm) также совпадают по положению литов друг на друга. Аморфный слой на поверхности с другими более слабыми линиями Er2O3 (отмечено сферы, обогащенный эрбием, мало заметен из-за того, штриховыми линиями). Следовательно, спектр 1 есть что его контраст (темный) из-за сильного поглощения сумма спектров ФЛ ионов Er3+ в аморфной матрице близок к контрасту материала в поре. Кристаллиты (широкий контур) и в кристаллическом Er2O3 (узкие вблизи поверхности сферы накладываются на аморфный пики). Максимум интенсивности ФЛ в спектре 1 силь- слой и „маскируют“ его изображение.

но сдвинут в короткие длины волн по сравнению с Электронная микродифракционная картина (рис. 6, b), положением самой интенсивной линии люминесценции полученная с одной полностью заполненной поры (обокристаллического Er2O3 (спектр 2). Таким образом, из- значена штриховым прямоугольником), содержит дебалучающий Er-содержащий аморфный материал не может евские кольца с отдельными пространственно разделенбыть аморфным Er2O3, так как в спектре ФЛ ионов Er3+ ными по кольцу рефлексами. Такие электронограммы хав аморфном Er2O3 все штарковские компоненты линии рактерны для поликристаллического объекта, в котором 4 перехода S3/2 I15/2 были бы сильно неоднородно нет любых равновероятных ориентаций кристаллитов.

уширены, но максимум ФЛ остался бы в том месте, Кроме того, на этой электронограмме присутствует где находится самая интенсивная штарковская линия, а диффузное гало, локализованное вблизи ее центральименно в области 564 nm. ной части, около следа первичного пучка электронов.

Перейдем к результатам исследования распределе- Анализ электронограммы (определение межплоскостния Er в порах синтезированного композита, получен- ных расстояний по дебаевским кольцам) однозначно ным методом просвечивающей электронной микроско- свидетельствует об образовании в порах опала одного 2 Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 2130 Г.Н. Алиев, В.Г. Голубев, А.А. Дукин, Д.А. Курдюков, А.В. Медведев, А.Б. Певцов...

Рис. 6. a — электронно-микроскопическое изображение одной сферы a-SiO2 в композите опал-эрбий, окруженной шестью порами. Показана область образца, где имеются как поры, полностью заполненные Er2O3 (одна такая пора отмечена штриховым прямоугольником), так и поры, в которых эрбий-содержащее вещество (предположительно Er2Si2O7) нанесено в виде тонкого однородного слоя (указано стрелкой) на поверхность поры. b — электронная микродифракция с одной заполненной поры, выделенной штриховым прямоугольником на части a.

Рис. 7. Электронно-микроскопическое изображение высокого разрешения границы a-SiO2 сферы и тонкого аморфного слоя, содержащего Er (a), и границы a-SiO2 сферы и поры, полностью заполненной поликристаллическим Er2O3 (b).

Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. Структурные, фотонно-кристаллические и люминесцентные свойства композита опал-эрбий из окислов эрбия — Er2O3 в поликристаллическом Таким образом, методом химического жидкофазного состоянии. Что касается диффузного гало, то оно может осаждения (chemical bath deposition) создан композит быть обусловлено как рассеянием аморфными силикат- опал-эрбий. Показано, что эрбий входит в состав двух ными сферами, так и тонким аморфным слоем темного фаз: аморфную — слой на поверхности силикатных контраста, присутствующим на поверхности сфер. Тем сфер — и поликристаллическую, присутствующую в не менее, на основании комплекса структурных и оп- заполненных порах, доля которых мала. Электроннотических исследований можно утверждать, что эрбий микроскопические исследования показали, что Er входит как в аморфную, так и в кристаллическую фазы, осаждается на поверхности пор в виде тонкого образовавшиеся в результирующем композите.

аморфного слоя (предположительно Er2Si2O7) Известно, что Er мало растворяется в SiO2. Предел практически во всех порах. На основании этого можно растворимости Er в SiO2 равен 0.1 mol% [30]. Наиболее утверждать, что основная часть эрбия входит именно вероятно, что при отжиге первоначально осажденный на в эту фазу. Лишь только незначительное количество поверхности сфер Er2O3 вступает в реакцию с a-SiO2 пор оказывается полностью заполненным поликрис образованием силикатов эрбия. Существует несколько сталлическим Er2O3. Из оптических исследований разных силикатов эрбия: оксоортосиликат (Er2SiO5), установлено, что синтезированный композит опалортосиликат [Er4(SiO4)3] и пиросиликат (Er2Si2O7) [31].

эрбий не утрачивает фотонно-кристаллических свойств При температуре отжига 800C могут образовываться исходной матрицы опала. При резонансном возбуждении 4 только Er2SiO5 и Er2Si2O7 [32]. В соответствии с диана длине волны 488 nm (переход I15/2 F7/2) эрбий граммой состояния фаз системы Er2O3–SiO2 [32] взаив составе композита эффективно люминесцирует в модействие Er2O3 с SiO2 при избытке SiO2 приводит к видимом и ближнем инфракрасном диапазонах на образованию смеси Er2Si2O7 и SiO2. При избытке Er2O3 нескольких дискретных длинах волн, соответствующих 4 образуется смесь Er2SiO5 и Er2O3. В промежуточном излучательным переходам S3/2 I15/2 (550 nm), 4 4 4 случае возникает смесь Er2Si2O7 и Er2SiO5. В настоящем S3/2 I13/2 (860 nm), I11/2 I15/2 (980 nm), эксперименте меньший объем тонкого слоя Er2O3 на по- 4 4 4 S3/2 I11/2 (1240 nm) и I13/2 I15/2 (1530 nm).

верхности силикатной сферы в сравнении с ее объемом Таким образом, синтезированный композит опал-эрбий соответствует первому случаю. По-видимому, на стадии сочетает в себе фотонно-кристаллические свойства образования силиката он находится в аморфном состоопала и люминесцентные свойства эрбия и может янии и только при дальнейшем отжиге может кристалслужить модельным объектом для исследования лизоваться. Так, например, в работе [33] пленка ErOx влияния фотонной запрещенной зоны на спонтанную толщиной 25 nm, окруженная с двух сторон слоями SiOx, эмиссию излучающих центров.

отжигалась в течение 2 часов при температуре 800C.

После отжига в пленке образовался Er2Si2O7.

Размеры пор в используемой опаловой матрице (Список литературы и 90 nm) больше чем на порядок превышают толщину выявленного на поверхности сфер слоя. Вслед- [1] Р. Лоудон. Квантовая теория света. Мир, М. (1976). 488 с.

ствие меньшей величины соотношения поверхность– [2] E.M. Purcell. Phys. Rev. 69, 11–12, 681 (1946).

[3] E. Yablonovitch. Phys. Rev. Lett. 58, 20, 2059 (1987).

количество вещества взаимодействие Er2O3 с SiO2 в [4] S. John. Phys. Rev. Lett. 58, 23, 2486 (1987).

полностью заполненных порах не приводит к образова[5] J.P. Dowling, C.M. Bowden. Phys. Rev. A46, 1, 612 (1992).

нию силикатов во всем объеме поры. При проведенном [6] S. John, T. Quang. Phys. Rev. Lett. 74, 17, 3419 (1995).

отжиге в таких порах силикаты, возможно, образуют[7] W.L. Vos, A. Polman. MRS Bulletin 26, 8, 642 (2001).

ся только на границе между сферой и наполнителем, [8] V.N. Astratov, V.N. Bogomolov, A.A. Kaplyanskii, A.V. Proа внутри поры в отдалении от поверхности сферы kofiev, L.A. Samoilovich, S.M. Samoilovich, Yu.A. Vlasov.

остается поликристаллический Er2O3. В пограничной Nuovo Cimento D17, 11–12, 1349 (1995).

области вблизи границы между сферой и наполнителем [9] V.N. Bogomolov, S.V. Gaponenko, A.M. Kapitonov, A.V. Proвозможно образование смеси силикатов. Так, со стороны kofiev, A.N. Ponyavina, N.I. Silvanovich, S.M. Samoilovich.

Pages:     | 1 || 3 |



© 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.