научная статья по теме ЗАВИСИМОСТЬ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ СФЕРИЧЕСКИХ НАНОЧАСТИЦ Y2O3:ER ОТ ИХ РАЗМЕРА Химия

Текст научной статьи на тему «ЗАВИСИМОСТЬ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ СФЕРИЧЕСКИХ НАНОЧАСТИЦ Y2O3:ER ОТ ИХ РАЗМЕРА»

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2014, том 50, № 11, с. 1189-1194

ЗАВИСИМОСТЬ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ СФЕРИЧЕСКИХ НАНОЧАСТИЦ

Y2O3:Eг ОТ ИХ РАЗМЕРА

А. В. Толмачев**, Г. А. Емельченко***

*Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистыхматериалов Российской академии наук, Черноголовка **НТК "Институт монокристаллов"Национальной академии наук Украины, Харьков ***Институт физики твердого тела Российской академии наук, Черноголовка

е-таП: gran@iptm.ru Поступила в редакцию 29.01.2014 г.

С помощью методики низкотемпературного термолиза из аморфного прекурсора синтезированы сферические нанокристаллические частицы У203:Бг разного состава и размера с дисперсией в интервале 10—15%. Изучены спектры люминесценции, диффузного отражения и возбуждения фотолюминесценции соединения У203:Бг с различной формой наночастиц. Показано, что видимая люминесценция оксида иттрия, активированного эрбием, имеет разную интенсивность полос при разном диаметре сфер. Определены резонансные длины волн связанных фотонов в зависимости от размера наносфер люминофора У203:Бг.

Легированный редкими землями оксид иттрия — люминесцентный материал, перспективный для создания детекторов рентгеновского излучения и светодиодов белого цвета свечения. Использование У203 в качестве лазерного материала в значительной степени ограничено трудностями выращивания качественного монокристалла из-за высокой температуры плавления 2430°С. Интенсивно развиваемый в последнее время метод получения беспористых малодефектных керамик открывает новые возможности для использования оксида иттрия в качестве прозрачной лазерной среды. Получение керамики лазерного качества предъявляет особые требования к порошку для спекания. Размер частиц такого порошка должен быть не более 100 нм, а их распределение должно быть близко к монодисперсному. Синтез нанопорошка оксида иттрия возможен несколькими методами, но при осаждении из раствора получены лучшие результаты [1]. Известно применение этих порошков в качестве светящихся покрытий люминесцентных ламп, сцинтилляторов и температурных датчиков. Технология синтеза позволяет получать частицы правильной сферической формы нанометрового размера с распределением по размерам менее 15% [2, 3]. Когда диаметр сфер имеет порядок длины волны свечения люминофора, то большое значение для характеристик люминесценции приобретает не только состав,

но и геометрическая форма материала. Такая частица, может излучать несколько фотонных мод высокой добротности, число и энергетическое положение которых зависят от размера сфер. В результате спонтанная люминесценция редкоземельного центра свечения может или усиливаться или ослабляться, а время послесвечения изменяться [2]. Сферические частицы, являясь оптическими резонаторами, способствуют получению лазерной генерации при малом пороге накачки, что позволяет получать люминофоры с высокой яркостью свечения на основе наносфер оксида иттрия [3].

Некоторые редкоземельные ионы (например, Бг3+) позволяют получать сразу интенсивное видимое и инфракрасное свечение при возбуждении как элементарными частицами (нейтронами, электронами), так и квантами высоких энергий (ультрафиолетом, рентгеном, гамма-излучением) в широком диапазоне рабочих температур [4]. Однако в некоторых случаях нужно видимое свечение (светодиоды для освещения), а в других инфракрасное (оптическая связь). Поэтому было бы интересно изменять вероятность излучатель-ной рекомбинации тех или иных полос эрбия в одном и том же материале за счет геометрической формы наночастиц порошка. В результате эффективность люминесценции в одном диапазоне спектра увеличивалась, а в другом уменьшалась. Таким образом, получались бы люминофоры разного цвета свечения на основе одного и того же

Рис. 1. Изображение, полученное методом ПЭМ, порошков люминофора У20з:Ег (2 ат. %).

Рис. 2. Изображение, полученное методом ПЭМ, наносфер У20з:Ег (2 ат. %) со средним диаметром 270 нм.

материала. Для этого можно использовать резо-нансы электромагнитного излучения (Ми-моды) на определенных частотах у диэлектрических частиц правильной (цилиндрической или сферической) формы малого размера, порядка длины волны света. Именно эти частоты будут преобладать в спектрах свечения данных частиц.

Цель настоящей работы — исследование спектров поглощения, возбуждения и люминесценции видимого свечения порошкообразного люминофора У20з:Ег со сферической формой частиц для определения всевозможных резонансных частот испускаемых фотонов. Достижение результата — получение различного цвета свечения одного и того же материала при одинаковом возбуждении — потребовало использования сферических нано-частиц с различным диаметром сфер.

Нанокристаллические сферы У20з:Ег получали гомогенным осаждением карбамидом ((МН2)2СО, "ос. ч.") аморфного полупродукта с его последующим низкотемпературным термолизом (I = 600—800°С) [5]. В качестве исходных реагентов использовали оксид иттрия (У2О3, 99.999%) и оксид эрбия (Ег20з, 99.999%), которые растворяли в азотной кислоте рассчитанной концентрации для получения растворов У(МО3)3 и Ег(М0з)з. Для синтеза сфер растворы У(МО3)3 и Ег(МО3)3 вводили по каплям в водный раствор карбамида (МН2)2СО. После чего смесь нагревали до I = 90°С в течение 2 ч при постоянном перемешивании. Диаметр сфер контролировали мольным соотношением компонентов У(МО3)3/(МН2)2СО. Содержание эрбия в сферах У20з:Ег (0.5—2 ат. %) варьировали концентрацией раствора Ег(МО3)3.

Полученный аморфный полупродукт выделяли трехкратным центрифугированием из бидистил-лированной воды и однократным из этилового спирта, после чего высушивали на воздухе при температуре 50°С. Полученный порошок отжигали при температуре 800°С на воздухе в течение 2 ч для кристаллизации продукта. Конечный продукт представлял собой слабоагломерированный порошок из наносфер У20з:Ег с кубической кристаллической структурой. Микронные порошки У20з:Ег синтезировали соосаждением при добавлении гидроксида аммония в раствор нитратов иттрия и эрбия с последующим отделением осадка, сушкой и отжигом при температуре 800°С.

Спектры диффузного отражения люминофоров регистрировали в видимой области спектра монохроматором МДР-12 и фотоприемником ФЭУ-106. При этом на порошкообразный образец падало излучение лампы накаливания "Магуа-100" с непрерывным спектром, прошедшее через механический обтюратор. Сигнал регистрировали на частоте модуляции, и спектральное разрешение во всех измерениях было не ниже 0.1 нм. В спектрах диффузного отражения сильнорассеивающего материала фактически регистрируются спектры его оптического пропускания, так как большая часть рассеянного света прошла через этот материал прежде, чем попала в измерительную систему. Спектры фотолюминесценции (ФЛ) регистрировали при возбуждении светом лампы накаливания "Магуа-100", пропущенным через мо-нохроматор МДР-12. Люминесценция образца поступала в оптический волновод, расположенный под углом 45° к его поверхности на расстоянии 10 мм от нее, ее анализировали с помощью спектрометра МДР-6 и усилителя переменного сигнала "ишрап-237", сопряженного с компью-

Рис. 3. Спектры диффузного отражения в видимой области порошков (1) и наносфер У20з:Ег (2 ат. %) с диаметром сфер 270 (2), 175 (3) и 75 нм (4) при Т = = 300 К.

Рис. 4. Спектры ФЛ в видимой области порошков (1) и наносфер У203:Ег (2 ат. %) с диаметром сфер 270 (2), 175 (3) и 75 нм (4) при возбуждении излучением 381.5 нм при Т = 300 К.

тером. При регистрации спектров возбуждения люминесценции длину волны на спектрометре МДР-6 фиксировали на соответствующей полосе ФЛ, а длину волны возбуждения на монохромато-ре МДР-12 варьировали в диапазоне видимых или фиолетовых длин волн. Все измерения осуществляли при комнатной температуре образцов 300 К.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 и 2 представлены изображения просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) порошков и наносфер У203: Ег (2 ат. %) с одинаковым содержанием люминесцентных центров эрбия. Из снимков следует, что во втором случае частицы имели близкую к идеальной сферическую форму и распределение по размерам около 15%. Средний размер этих частиц — 270 нм. Рентгеновский анализ порошков и сфер показал кубическую модификацию оксида иттрия. Размер кристаллитов, оцененный из ширины дифракционных пиков и прямыми измерениями методом ПЭМ, составил около 30 нм для порошков и 10— 60 нм — для наносфер [6].

На рис. 3 приведены спектры диффузного отражения в видимой области люминофора У203:Ег при падении света на образец из порошка и нано-сфер разного диаметра (кривые 1 и 2—4 соответственно). Наличие множества пиков поглощения характерно для ионов эрбия. Ниже указано положение минимумов диффузного отражения монохроматического света для оксида иттрия, легированного эрбием, и соответствующие им возбужденные уровни иона Ег3+, при переходах на

которые из основного состояния 4/15/2 возникает поглощение света: 410 нм — 2Н9/2, 450 нм — 4/5/2, 490 нм - 4Т7/2, 523 нм - 2Н11/2, 540 нм - 4^3/2 и 660 нм — 4^9/2. Указано центральное положение нескольких узких линий, которые обусловлены расщеплением возбужденных состояний кристаллическим полем соединения. В спектрах диффузного отражения разных образцов основное отличие состоит в том, что указанные минимумы отражения явно выражены для порошков и наносфер диаметром 270 нм (рис. 3, кривые 1 и 2). Для малых диаметров сфер 175 и 75 нм все характерные пики гораздо слабее по интенсивности, хотя концентрация эрбия во всех образцах была одинаковой. Отметим одинаковую полуширину всех спектральных особенностей эрбия в образцах, что подтверждает их кристаллическую идентичность. Скорее всего, в этом случае рассеяние или поглощение света на частицах У203:Ег малого диаметра гораздо меньше по сравнению с более крупными частицами порошка и наносфер диаметром 270 нм.

Использовали одну из полос поглощения ионов Ег3+ для возбуждения люминесценции люминофора У203:Ег — фиолетовую с максимумом 381.5 нм, так как одним из возмож

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎