mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2017-1-45-50mateltech-245Research ArticleФизические свойства и методы исследованияPHYSICAL CHARACTERISTICS AND THEIR STUDYСИНТЕЗ СИСТЕМЫ CASNO3 : YB3+,ER3+,НО3+ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЕЕ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ СВОЙСТВ ПРИ ИК−ВОЗБУЖДЕНИИSYNTHESIS OF SYSTEM CASNO3 : YB3+,ER3+,НО3+ SYSTEM AND IR−EXCITATION STUDY OF ITS LUMINESCENCEМарьинаУ. А.Mar’inaU. A.

Марьина Ульяна Андреевна — аспирант.

ул. Пушкина, д. 1, Ставрополь, 355009.

Ul’ana A. Mar’ina: Postgraduate Student.

 

ulyana-ne@mail.ruВоробьевВ. А.Vorob’evV. A.

Воробьев Виктор Андреевич — доктор техн. наук, старший научный сотрудник, профессор.

ул. Пушкина, д. 1, Ставрополь, 355009.

Viktor A. Vorob’ev: Dr. Sci. (Eng.), Senior Research, Professor. 

1 Pushkina Str., Stavropol 355009.

МарьинА. П.Mar’inA. P.

Марьин Александр Петрович — аспирант.

ул. Пушкина, д. 1, Ставрополь, 355009.

Alexandr P. Mar’in: Postgraduate Student.

1 Pushkina Str., Stavropol 355009.

ФГАОУ ВО «Северо−Кавказский федеральный университет».РоссияNorth−Caucasus Federal University.Russian Federation2017210520182014550Copyright © Марьина У.А., Воробьев В.А., Марьин А.П., 20182018Марьина У.А., Воробьев В.А., Марьин А.П.Mar’ina U.A., Vorob’ev V.A., Mar’in A.P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/245

Рассмотрен порядок твердофазного синтеза перовскитоподобной структуры станната кальция, активированного тремя ионами редкоземельных элементов Yb3+,Er3+,Но3+. Установлено, что для формирования люминесцентной структуры CaSnO3 : Yb3+,Er3+,Но3+ необходимо соблюдение следующих условий синтеза: температура прокалки — 1250 °С, длительность — не менее 18 ч. Исследованы люминесцентные свойства образцов при возбуждении полупроводниковым лазерным диодом с длиной волны 960 нм. На спектрах люминесценции зафиксированы полосы излучения в видимой и ИК−областях спектра. Установлено, что ионы Yb3+ преимущественно выступают в роли сенсибилизаторов и способны передавать часть поглощенной энергии ионам Er3+ и Но3+, вызывая усиление люминесценции в соответствующих им полосах. Ионы Er3+ также передают часть поглощенной энергии ионам Но3+, в результате чего наблюдается усиление интенсивности ИК−люминесценции в полосах 1194 и 1950 нм. Приведена схема возможных энергетических переходов в системе CaSnO3 : Yb3+,Er3+,Но3+ при возбуждении лазером с длиной волны 960 нм. Подробно описан механизм передачи энергии между ионами Yb3+,Er3+,Но3+. Изучена зависимость интенсивности люминесценции исследуемого люминофора в области 994, 1194, 1550, 1950 нм от концентрации ионов Но3+. Максимум интенсивности для полос излучения 1194 и 1950 нм наблюдается при концентрации ионов Но3+ 0,007 ат. долей. Предложено использовать люминесцентную структуру CaSnO3 : Yb3+,Er3+,Но3+ в качестве источников излучения, способных преобразовывать ИК−излучение из области 960 нм в ИК−излучение с длиной волны ~2000 нм.

Features of solid−phase synthesis and a research technique of the perovskit structure of calcium stannat activated by three ions of the rare−earth elements Yb3+, Er3+, Ho3+ are described. It is established that for the formation of luminescent structure of CaSnO3 : Yb3+, Er3+, to Ho3+ the following conditions of synthesis are required: calcination temperature 1250 °C and duration at least 18 h. the luminescent properties of the samples for excitation were probed by a semiconductor laser diode with a 960 nm wavelength. Luminescence emission bands in the visible and IR−regions were recorded. We show that Yb3+ ions preferentially act as sensitizers and are capable to transfer part of the absorbed energy to Er3+ ions and Ho3+, causing a luminescence gain in the bands corresponding to them. Er3+ ions also transfer part of the absorbed energy to Ho3+ ions, and therefore an intensity gain of IR luminescence in the bands at 1194 and 1950 nm is observed. The diagram of energetic transitions is provided for the CaSnO3 : Yb3+, Er3+, Ho3+ system for excitation by a laser with a 960 nm wavelength, and the mechanism of energy transmission between ions of Yb3+, Er3+, Ho3+ is explicitly described. The dependence of the luminescence intensity of the studied phosphor in the area 994, 1194, 1550, 1950 nm on the concentration of Ho3+ ions is studied. The intensity maxima for the emission bands at 1194 and 1950 nm are observed for Ho3+ ion concentration of 0.007 atomic shares. It is suggested to use the CaSnO3 : Yb3+, Er3+, Ho3+ luminescent structure as the source of radiation capable to transform IR radiation in the 960 nm region to IR radiation with a wavelength of about 2000 nm.

люминесценцияинфракрасные люминофорытвердофазный синтезредкоземельные элементыluminescenceinfrared phosphorsCaSnO3solid−phase synthesisrare−earth elementsReferencesГаврилова Л. Я. Методы синтеза и исследование перспективных материалов. − Ек.: УрГУ им. А. М. Горького, 2008. − 74 с.Gavrilova L. Ya. Metody sinteza i issledovanie perspektivnykh materialov [Methods of synthesis and research of perspective materials]. Ekaterinburg: Ural State University named after A. M. Gorky, 2008. 74 p. (In Russ.)Li H., Castelli I. E., Thygesen Kr. S., Jacobsen K. W. Strain sensitivity of band gaps of Sn−containing semiconductors // Phys. Rev. B. − 2015. − V. 91, iss. 4. − P. 045204 (1−6). DOI: 10.1103/PhysRevB.91.045204Li H., Castelli I. E., Thygesen Kr. S., Jacobsen K. W. Strain sensitivity of band gaps of Sn−containing semiconductors. Phys. Rev. B., 2015, V. 91, no. 4, pp. 045204 (1−6). DOI: 10.1103/PhysRevB.91.045204Bingfu Lei, Bin Li, Haoran Zhanga Wenlian Li. Preparation and luminescence properties of CaSnO3:Sm3+ phosphor emitting in the reddish orange region // Optical Materials. − 2007. − V. 29, iss. 11. − P. 1491—1494. DOI: 10.1016/j.optmat.2006.07.011Bingfu Lei, Bin Li, Haoran Zhanga Wenlian Li. Preparation and luminescence properties of CaSnO3:Sm3+ phosphor emitting in the reddish orange region. Optical Materials, 2007, vol. 29, no. 11, pp. 1491—1494. DOI: 10.1016/j.optmat.2006.07.011Zhengwei Liu, Yingliang Liu. Synthesis and luminescent properties of a new green afterglow phosphor CaSnO3 : Tb // Mater. Chem. Phys. − 2005. − V. 93, iss. 1. − P. 129—132. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2005.02.032Zhengwei Liu, Yingliang Liu. Synthesis and luminescent properties of a new green afterglow phosphor CaSnO3 : Tb. Mater. Chem. Phys., 2005, vol. 93, no. 1, pp. 129—132. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2005.02.032Zuoqiu Liang, Jinsu Zhang, Jiashi Sun, Xiangping Li, Lihong Cheng, Haiyang Zhong, Shaobo Fu, Yue Tian, Baojiu Chen. Enhancement of green long lasting phosphorescence in CaSnO3 : Tb3+ by addition of alkali ions // Physica B: Condensed Matter. − 2013. − V. 412. − P. 36—40. DOI: 10.1016/j.physb.2012.12.013Zuoqiu Liang, Jinsu Zhang, Jiashi Sun, Xiangping Li, Lihong Cheng, Haiyang Zhong, Shaobo Fu, Yue Tian, Baojiu Chen. Enhancement of green long lasting phosphorescence in CaSnO3 : Tb3+ by addition of alkali ions. Physica B: Condensed Matter., 2013, vol. 412, pp. 36—40. DOI: 10.1016/j.physb.2012.12.013Jinsu Zhang, Baojiu Chen, Zuoqiu Liang, Xiangping Li, Jiashi Sun, Lihong Cheng, Haiyang Zhong. Optical transition and thermal quenching mechanism in CaSnO3 : Eu3+ phosphors // J. Alloys and Comp. − 2014. − V. 612. − P. 204—209. DOI: 10.1016/j.jallcom.2014.05.188Jinsu Zhang, Baojiu Chen, Zuoqiu Liang, Xiangping Li, Jiashi Sun, Lihong Cheng, Haiyang Zhong. Optical transition and thermal quenching mechanism in CaSnO3 : Eu3+ phosphors. J. Alloys and Comp., 2014, vol. 612, pp. 204—209. DOI: 10.1016/j.jallcom.2014.05.188Orsi Gordo V., Tuncer Arslanli Y., Canimoglu A., Ayvacikli M., Galvão Gobato Y., Henini M., Can N. Visible to infrared low temperature luminescence of Er3+, Nd3+ and Sm3+ in CaSnO3 phosphors // Appl. Radiation and Isotopes. − 2015. − V. 99. − P. 69—76. DOI: 10.1016/j.apradiso.2015.02.019Orsi Gordo V., Tuncer Arslanli Y., Canimoglu A., Ayvacikli M., Galvão Gobato Y., Henini M., Can N. Visible to infrared low temperature luminescence of Er3+, Nd3+ and Sm3+ in CaSnO3 phosphors. Appl. Radiation and Isotopes, 2015, vol. 99, pp. 69—76. DOI: 10.1016/j. apradiso.2015.02.019Pang X. L., Jia C. H., Li G. Q., Zhang W. F. Bright white upconversion luminescence from Er3+—Tm3+—Yb3+ doped CaSnO3 powders // Optical Mat. − 2011. − V. 34, iss. 1. − P. 234—238. DOI: 10.1016/j.optmat.2011.08.019Pang X. L., Jia C. H., Li G. Q., Zhang W. F. Bright white upconversion luminescence from Er3+—Tm3+—Yb3+ doped CaSnO3 powders. Optical Mat., 2011, vol. 34, no. 1, pp. 234—238. DOI: 10.1016/j. optmat.2011.08.019Марьина У. А., Воробьев В. А. Особенности синтеза перовскитоподобных структур типа МSnO3 (М = Ba, Sr, Ca) и исследование их люминесцентных свойств // Вестник СКФУ. − 2016. − № 1(52). − С. 7—13.Mar’ina U. A., Vorob’ev V. A. Features of synthesis the perovskitopodobnykh of structures like MSnO3 (M = Ba, Sr, Ca) and research of their luminescent properties. Vestnik SKFU, 2016, no. 1(52), pp. 7—13. (In Russ.)Марьина У. А., Воробьев В. А. Исследование люминесцентных свойств станната кальция CaSnO3, активированного ионами редкоземельных металлов. // Вестник СКФУ. − 2016. − № 4(55). − С. 36—41.Mar’ina U. A., Vorob’ev V. A. The study of fluorescent properties of calcium stannate CaSnO3, activated with rare earth metals. Vestnik SKFU, 2016, no. 4(55), pp. 36—41. (In Russ.)Марьина У. А., Марьин А. П., Воробьев В. А. Синтез и исследование люминесцентных свойств CaSnO3 : Yb3+,RE3+ (RE = Er, Ho,Tm) // Вестник СКФУ. − 2017. − № 2(59). − С. 21—26.Mar’ina U. A., Mar’in A. P., Vorob’ev V. A. Synthesis and study of luminescent properties of system CaSnO3 : Yb3+,RE3+ (RE = Er, Ho,Tm). Vestnik SKFU, 2017, no. 2(59), P. 21—26. (In Russ.)Марьина У. А., Воробьев В. А., Марьин А. П. Влияние концентрации примеси Yb и типа плавня на люминесцентные свойства CaSnO3 : Yb // Научные исследования и разработки молодых ученых: материалы XIV междунар. молодежной научно−практ. конф. − Новосибирск: Изд−во ЦРНС, 2016.Mar’ina U. A., Vorob’ev V. A., Mar’in A. P. Vliyanie kontsentratsii primesi Yb i tipa plavnya na lyuminestsentnye svoistva CaSnO3 : Yb [Influence of concentration of Yb impurity and type of mineralizer on luminescent properties CaSnO3 : Yb]. Nauchnye issledovaniya i razrabotki molodykh uchenykh: materialy XIV mezhdunar. molodezhnoi nauchno−prakt. konf = Research and development of young scientists: materials XIV of the international youth scientific and practical conference. Novosibirsk: Publishing House TsRNS, 2016. (In Russ.)Tao Pang, Wenhui Lu, Wujian Shen. Chromaticity modulation of upconversion luminescence in CaSnO3 : Yb3+, Er3+, Li+ phosphors through Yb3+ concentration, pumping power and temperature // Physica B: Condensed Matter. − 2016. − V. 502. − P. 11—15. DOI: 10.1016/j.physb.2016.08.036Tao Pang, Wenhui Lu, Wujian Shen. Chromaticity modulation of upconversion luminescence in CaSnO3 : Yb3+, Er3+, Li+ phosphors through Yb3+ concentration, pumping power and temperature. Physica B: Condensed Matter., 2016, vol. 502, pp. 11—15. DOI: 10.1016/j.physb.2016.08.036Castelli I. E., Olsen T., Datta S., Landis D. D., Dahl S., Thygesen Kr. S., Jacobsen K. W. Computational screening of perovskite metal oxides for optimal solar light capture // Energy Environ. Sci. − 2012. − V. 5, iss. 2. − P. 5814—5819. DOI: 10.1039/C1EE02717DCastelli I. E., Olsen T., Datta S., Landis D. D., Dahl S., Thygesen Kr. S., Jacobsen K. W. Computational screening of perovskite metal oxides for optimal solar light capture. Energy Environ. Sci., 2012, vol. 5, no. 2, pp. 5814—5819. DOI: 10.1039/C1EE02717DHenriques J. M., Caetano E. W. S., Freire V. N., da Costa J. A. P., Albuquerque E. L. Structural, electronic, and optical absorption properties of orthorhombic CaSnO3 through ab initio calculations // J. Physics: Condensed Matter. − 2007. − V. 19, N 10. − P. 106214 (1−9). DOI: 10.1088/0953-8984/19/10/106214Henriques J. M., Caetano E. W. S., Freire V. N., da Costa J. A. P., Albuquerque E. L. Structural, electronic, and optical absorption properties of orthorhombic CaSnO3 through ab initio calculations. J. Physics: Condensed Matter., 2007, vol. 19, no. 10, pp. 106214 (1−9). DOI: 10.1088/0953-8984/19/10/106214Протасов Н. М. Структурное моделирование сложных оксидов со структурой перовскита в частично ковалентном приближении. − М.: МГУ им. М. В. Ломоносова, 2011. − 51 с.Protasov N. M. Strukturnoe modelirovanie slozhnykh oksidov so strukturoi perovskita v chastichno kovalentnom priblizhenii [Structural modeling of complex oxides with structure of a perovskite in partially covalent approach]. Moscow: MGU im. M. V. Lomonosova, 2011. 51 p. (In Russ.)Савикин А. П., Гришин И. А. Синтез керамических образцов ZBLAN : Но3+ и ZBLAN : Ho3+—Yb3+ и исследование антистоксовой люминесценции. − Нижний Новгород: Нац. исслед. НГУ им. Н. И. Лобачевского, 2016. − 18 с.Savikin A. P., Grishin I. A. Sintez keramicheskikh obraztsov ZBLAN : Но3+ i ZBLAN : Ho3+—Yb3+ i issledovanie antistoksovoi lyuminestsentsii [Synthesis of ceramic samples of ZBLAN : Но3+ both ZBLAN : Ho3+—Yb3+ and research of an anti−Stokes luminescence: educational and methodical grant]. Nizhny Novgorod: Nats. issled. NGU im. N. I. Lobachevskogo, 2016. 18 p. (In Russ.)Твердотельные лазеры с полупроводниковой накачкой ближнего и среднего ИК−диапазонов спектра (2 мкм, 3—8 мкм) на основе кристаллов и керамик, активированных ионами Tm и Ho: отчет о НИР / ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н. П. Огарёва»; рук. Рябочкина П.А.; исполн.: Антипов О. Л., Чупрунов Е. В., Ломонова Е. Е. − Саранск, 2012. − 83 с. − № ГР 01201002318. − Инв. № 53/39−10.Solid−state lasers with semiconductor pump of short− and average IR−ranges (2 micron, 3−8 micron) on the basis of crystals and ceramics, activated by ions Tm и Ho: report on Research work / Moscow State University of N. P. Ogaryov; head Ryabochkina P. A.; performers: Antipov O. L., Chuprunov E. V., Lomonova E. E. Saransk, 2012. 83 p. (In Russ.)Бейли Д., Райт Э. Волоконная оптика: теория и практика. − М.: «КУДИЦ−ПРЕСС», 2008. − С. 98.Bailey D., Wright E. Volokonnaya optika: teoriya i praktika [Practical fiber optics]. Moscow: KUDITs−PRESS, 2008. p. 98. (In Russ.)Шахно Е. А. Физические основы применения лазеров в медицине. − СПб: НИУ ИТМО, 2012. − 129 с.Shakhno E. A. Fizicheskie osnovy primeneniya lazerov v meditsine [Physical bases of use of lasers in medicine]. St. Petersburg: NIU ITMO, 2012. 129 p. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.