mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2020-1-78-85mateltech-371Research ArticleФизические свойства и методы исследованияPHYSICAL CHARACTERISTICS AND THEIR STUDYИК-люминесценция CaGa2O4:Yb3+ при возбуждении излучением с длиной волны 940 и 980 нмIR luminescence of CaGa2O4 : Yb3+ when excited by radiation with a wavelength of 940 and 980 nmhttps://orcid.org/0000-0003-4261-4054МарьинаУ. А.Mar’inaU. A.

ул. Пушкина, д. 1, Ставрополь, 355017

1 Pushkin Str., Stavropol 355017

Ul’ana A. Mar’ina: Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Department of Electronics and Nanotechnology, Institute of Engineering

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

ул. Пушкина, д. 1, Ставрополь, 355017

1 Pushkin Str., Stavropol 355017

Viktor A. Vorob’ev: Dr. Sci (Eng.), Professor, Senior Researcher, Department of Electronics and Nanotechnology, Institute of Engineering

lum@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6586-449XМарьинА. П.Mar’inA. P.

ул. Пушкина, д. 1, Ставрополь, 355017

1 Pushkin Str., Stavropol 355017

Alexandr P. Mar’in: Postgraduate Student, Department of Electronics and Nanotechnology, Institute of Engineering

kosmostech@yandex.ruСеверо-Кавказский федеральный университетРоссияNorth-Caucasus Federal UniversityRussian Federation2020180520202317885Copyright © Марьина У.А., Воробьев В.А., Марьин А.П., 20202020Марьина 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/371

Представлен обзор известных люминесцентных материалов на основе галлата кальция CaGa2O4, излучающих в видимой и инфракрасной (ИК) области спектра. На сегодняшний день ИК-люминофоры исследованы мало, но их практическое применение представляет интерес. Твердофазным методом получены образцы CaGa2O4, активированные редкоземельными ионами Yb3+. Исследованы структурные и люминесцентные свойства состава CaGa2O4 : Yb3+. При возбуждении CaGa2O4 : Yb3+ излучением с длиной волны 940 и 980 нм зарегистрирована люминесценция в диапазоне 980—1100 нм. На основании данных о строении электронных уровней в ионах Yb3+ сделан вывод о том, что возбуждение и излучение происходят непосредственно в ионах Yb3+ при пассивном участии решетки основания. В спектрах люминесценции имеется три максимума на длинах волн 993, 1025 и 1080 нм. Излучение в этих полосах обусловлено оптическими переходами электронов из возбужденного в основное состояние в ионах Yb3+. Изучена зависимость интенсивности люминесценции в полосе 993 нм от концентрации ионов активатора Yb3+. Установлено, что введение в состав люминофора ионов Na+ повышает интенсивность ИК-люминесценции. Предложен оптимальный состав люминофора (Ca1-x-yYbxNay)Ga2O4, при котором интенсивность люминесценции в полосе 993 нм максимальна.

The article provides an overview of known luminescent materials based on calcium gallate CaGa2O4, emitting in the visible and infrared (IR) spectral regions. IR phosphors have not been studied much, but their practical application is of interest. The solid-phase method was used to obtain CaGa2O4 samples activated with rare-earth ions Yb3+. The structural and luminescent properties of the composition CaGa2O4 : Yb3+ were studied. When CaGa2O4 : Yb3+ was excited by radiation with a wavelength of 940 and 980 nm, luminescence was recorded in the range of 980—1100 nm. Based on data on the structure of electronic levels in Yb3+ ions, it is concluded that excitation and radiation occur directly in Yb3+ ions with the passive participation of the base lattice. Three maximums at a wavelength were recorded on the luminescence spectra: 993 nm, 1025 nm, 1080 nm. The radiation in these bands is due to optical transitions of electrons from the excited to the ground state in Yb3+ ions. The dependence of the luminescence intensity in the 993 nm band on the concentration of Yb3+ activator ions was studied. It found that the introduction of the phosphor ions Na+ increases the intensity of the infrared luminescence. An optimal composition of the phosphor (Ca1-x-yYbxNay)Ga2O4 is proposed, at which the luminescence intensity in the range of 980—1100 nm is maximum.

люминофорыгаллатыCaGa2O4редкоземельные элементыYb3+phosphorsgallatesCaGa2O4rare-earth elementsYb3+ООО НПФ "ЛЮМ"ReferencesBletskan D. I., Kabatsii V. M., Kranichets M., Frolova V. V., Gule E. G. Photoconductivity and photoluminescence of PbGa2Se4 crystals // Chalcogenide Letters. 2006. V. 3, N 12. P. 125—132. URL: http://www.chalcogen.ro/Bletskan-articol.pdfBletskan D. I., Kabatsii V. M., Kranichets M., Frolova V. V., Gule E. G. Photoconductivity and photoluminescence of PbGa2Se4 crystals. Chalcogenide Letters. 2006, vol. 3, no. 12, pp. 125—132. URL: http://www.chalcogen.ro/Bletskan-articol.pdfBordun O. M., Bihday V. G., Kukharskyy I. Yo. Influence of annealing conditions on the luminescence and photoelectric properties of pure and Mn2+-activated ZnGa2O4 thin films // J. Appl. Spectrosc. 2013. V. 80, N 5. P. 721—725. DOI: 10.1007/s10812-013-9832-2Bordun O. M., Bihday V. G., Kukharskyy I. Yo. Influence of annealing conditions on the luminescence and photoelectric properties of pure and Mn2+-activated ZnGa2O4 thin films. J. Appl. Spectrosc. 2013, vol. 80, no. 5, pp. 721—725. DOI: 10.1007/s10812-013-9832-2Rai M., Singh S. K., Mishra K., Shankar R., Srivastava R. K., Rai S. B. Eu3+-activated CaGa2O4 wide band gap (WBG) material for solar blind UV conversion: fluorescence and photo-conductivity performance // J. Mater. Chem. C. 2014. V. 2, N 37. P. 7918—7926. DOI: 10.1039/C4TC00965GRai M., Singh S. K., Mishra K., Shankar R., Srivastava R. K., Rai S. B. Eu3+-activated CaGa2O4 wide band gap (WBG) material for solar blind UV conversion: fluorescence and photo-conductivity performance. J. Mater. Chem. C. 2014, vol. 2, no. 37, pp. 7918—7926. DOI: 10.1039/C4TC00965GGlasser F. P., Glasser L. S. D. Crystal chemistry of some AB2O4 compounds // J. American Ceramic Society. 1963. V. 46, N 8. P. 377—380. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1963.tb11755.xGlasser F. P., Glasser L. S. D. Crystal chemistry of some AB2O4 compounds. J. American Ceramic Society. 1963, vol. 46, no. 8, pp. 377—380. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1963.tb11755.xМарьина У. А., Воробьев В. А., Марьин А. П., Пигулев Р. В. Люминесцентные свойства галлата стронция, активированного ионами европия // Актуальные проблемы инженерных наук: материалы VII-й (64) ежегодной научно-практической конференции преподавателей, студентов и молодых ученых Северо-Кавказского федерального университета «Университетская наука — региону». Ставрополь, 2019. С. 470—472.Mar´ina U.A., Vorob´ev V.A., Mar´in A.P., Pigulev R.V. Luminescent properties of strontium gallate activated by europium ions. In: Actual problems of engineering sciences: materials of the VIIth (64th) annual scientific-practical conference of teachers, students and young scientists of the North Caucasus Federal University «University Science — Region». Stavropol, 2019, pp. 470—472. (In Russ.)Patent EP 0836791 B1H05B 33/14, C09K 11/80, C09K 11/66. International publication number: WO 97/02721. Doped amorphous and crystalline gallium oxides, alkaline earth gallates and doped zinc germanate phosphors as electroluminescent materials / proprietor: Adrian H. Hamilton; inventors: XIAO, Tian Hamilton, Adrian H. Hamilton, Guo Edmonton, 1998.Patent EP 0836791 B1H05B 33/14, C09K 11/80, C09K 11/66. International publication number: WO 97/02721. Doped amorphous and crystalline gallium oxides, alkaline earth gallates and doped zinc germanate phosphors as electroluminescent materials. T. Hamilton, A.H. Hamilton, G. Edmonton, 1998.Jiang F., Jiang P., Yue M., Gao W., Cong R., Yang T. Temperature-induced phase transitions for stuffed tridymites SrGa2O4 and CaGa2O4 // J. Solid State Chem. 2017. V. 254. P. 195—199. DOI: 10.1016/j.jssc.2017.07.024Jiang F., Jiang P., Yue M., Gao W., Cong R., Yang T. Temperature-induced phase transitions for stuffed tridymites SrGa2O4 and CaGa2O4. J. Solid State Chem. 2017, vol. 254, pp. 195—199. DOI: 10.1016/j.jssc.2017.07.024Ye D., Hu Z., Zhang W., Cui Y., Luo L., Wang Y. Inner energy transfer and its influence on luminescence properties of CaGa2O4:Eu3+ reddish emission phosphors // Optical Materials. 2014. V. 39, Iss. 11. P. 1879—1882. DOI: 10.1016/j.optmat.2014.04.028Ye D., Hu Z., Zhang W., Cui Y., Luo L., Wang Y. Inner energy transfer and its influence on luminescence properties of CaGa2O4:Eu3+ reddish emission phosphors. Optical Materials. 2014, vol. 39, no. 11, pp. 1879—1882. DOI: 10.1016/j.optmat.2014.04.028Wang S., Chen W., Zhou D., Qiu J., Xu X., Yu X. Long persistent properties of CaGa2O4:Bi3+ at different ambient temperature // The American Ceramic Society. 2017. V. 100, N 8. P. 3514—3521. DOI: 10.1111/jace.14875Wang S., Chen W., Zhou D., Qiu J., Xu X., Yu X. Long persistent properties of CaGa2O4:Bi3+ at different ambient temperature. The American Ceramic Society. 2017, vol. 100, no. 8, pp. 3514—3521. DOI: 10.1111/jace.14875Keir P. D. Fabrication and characterization of ACTFEL devices: Diss. of PhD. Oregon State University, 2000. 280 p.Keir P. D. Fabrication and characterization of ACTFEL devices: Diss. of PhD. Oregon State University, 2000, 280 p.Minami T. Thin-film oxide phosphors as electroluminescent materials // Materials Research Society. 1999. V. 560. P. 47—58. DOI: 10.1557/PROC-560-47Minami T. Thin-film oxide phosphors as electroluminescent materials. Materials Research Society. 1999, vol. 560, pp. 47—58. DOI: 10.1557/PROC-560-47Jeevaratnam J., Glasser F. P. The System CaO-Ga2O3 // J. American Ceramic Society. 1961. V. 44, Iss. 11. P. 563—566. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1961.tb11658.xJeevaratnam J., Glasser F. P. The System CaO-Ga2O3. J. American Ceramic Society. 1961, vol. 44, no. 11, pp. 563—566. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1961.tb11658.xRai M., S. K. Singh, P. Morthekai laser-induced excited-state crossover and spectral variation of Cr3+ in the high-crystal-field environment of CaGa2O4 // Opt. Lett. 2016. V. 41, Iss. 15. P. 3635—3638. DOI: 10.1364/OL.41.003635Rai M., S. K. Singh, P. Morthekai laser-induced excited-state crossover and spectral variation of Cr3+ in the high-crystal-field environment of CaGa2O4. Opt. Lett. 2016, vol. 41, no. 15, pp. 3635—3638. DOI: 10.1364/OL.41.003635Qin X., Li Y., Zhang R., Ren J., Gecevicius M., Wu Y., Sharafudeen K., Dong G., Zhou S., Ma Z., Qiu J. Hybrid coordination-network-engineering for bridging cascaded channels to activate long persistent phosphorescence in the second biological window // Sci. Rep. 2016. V. 6. P. 20275(1-9). DOI: 10.1038/srep20275Qin X., Li Y., Zhang R., Ren J., Gecevicius M., Wu Y., Sharafudeen K., Dong G., Zhou S., Ma Z., Qiu J. Hybrid coordination-network-engineering for bridging cascaded channels to activate long persistent phosphorescence in the second biological window. Sci. Rep. 2016, vol. 6, pp. 20275(1-9). DOI: 10.1038/srep20275Марьина У. А., Воробьев В. А., Марьин А. П., Пигулев Р. В. Изучение люминесцентных свойств SrGa2S4, активированного редкоземельными ионами Nd3+ // Физика. Технологии. Инновации. ФТИ–2019: сборник тезисов докладов VI Международной молодежной научной конференции, посвященной 70-летию основания Физико-технологического института. Екатеринбург, 2019. С. 737—738.Mar´ina U.A., Vorob´ev V.A., Mar´in A.P., Pigulev R.V. Study of the luminescent properties of SrGa2S4 activated by rare-earth ions Nd3+ In: Physics. Technology. Innovation FTI-2019: a collection of abstracts of the VI International Youth Scientific Conference dedicated to the 70th anniversary of the founding of the Physicotechnological Institute. Yekaterinburg, 2019, pp. 737—738. (In Russ.)Rai M., Mishra K., Rai S. B., Paulramasamy M. Tailoring UV-blue sensitization effect in enhancing near infrared emission in X,Yb3+:CaGa2O4 (X = 0, Eu3+, Bi3+, Cr3+) phosphor for solar energy conversion // Materials Research Bulletin. 2018. V. 105. P. 192—201. DOI: 10.1016/j.materresbull.2018.04.051Rai M., Mishra K., Rai S. B., Paulramasamy M. Tailoring UV-blue sensitization effect in enhancing near infrared emission in X,Yb3+: CaGa2O4 (X = 0, Eu3+, Bi3+, Cr3+) phosphor for solar energy conversion. Materials Research Bulletin. 2018, vol. 105, pp. 192—201. DOI: 10.1016/j.materresbull.2018.04.051Марьина У.А. Разработка технологии синтеза и исследование люминофоров на основе CaSnO3, BaSnO3, SrSnO3, активированных редкоземельными ионами: дис. … канд. тех. наук. Новочеркасск, 2018. С. 52—58.Mar´ina U.A. Development of synthesis technology and study of phosphors based on CaSnO3, BaSnO3, SrSnO3, activated by rare-earth ions: PhD thesis. Novocherkassk, 2018, pp. 52—58. (In Russ.)Ropp R. C. Encyclopedia of the Alkaline Earth Compounds. Ch. 6: Group 13 (B, Al, Ga, In and Tl) Alkaline Earth Compounds. Elsevier, 2013. P. 586—587. DOI: 10.1016/C2012-0-00777-6Ropp R. C. Encyclopedia of the Alkaline Earth Compounds. Ch. 6: Group 13 (B, Al, Ga, In and Tl) Alkaline Earth Compounds. Elsevier, 2013, pp. 586—587. DOI: 10.1016/C2012-0-00777-6Акимова М. С. Фазообразование и формирование кристаллической структуры при получении моноалюмината кальция и люминесцентных материалов на его основе золь-гель методом: дис. … магистр. Томск, 2019. 35 с.Akimova M.S. Phase formation and crystalline structure formation upon receipt of calcium monoaluminate and luminescent materials based on it using the sol-gel method: master’s thesis. Tomsk, 2019, 35 p. (In Russ.)Weber M. J. Handbook of optical materials. CRC Press, 2003. 536 p.Weber M. J. Handbook of optical materials. CRC Press, 2003, 536 p.Shannon R. D., Prewitt C. T. Effective ionic radii in oxides and fluorides // Acta Crystallographica. Section B. 1969. V. 25, Iss. 5. P. 925—946. DOI: 10.1107/S0567740869003220Shannon R. D., Prewitt C. T. Effective ionic radii in oxides and fluorides. Acta Crystallographica. Section B. 1969, vol. 25, no. 5, pp. 925—946. DOI: 10.1107/S0567740869003220Ahrens L. H. The use of ionization potentials. Pt. 1. Ionic radii of the elements // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1952. V. 2, Iss. 3. P. 155—169. DOI: 10.1016/0016-7037(52)90004-5Ahrens L. H. The use of ionization potentials. Pt. 1. Ionic radii of the elements. Geochimica et Cosmochimica Acta. 1952, vol. 2, no. 3, pp. 155—169. DOI: 10.1016/0016-7037(52)90004-5Guzik M., Tomaszewicz E., Guyot Y., Legendziewicz J., Boulon G. Spectroscopic properties, concentration quenching and Yb3+ site occupations in vacancied scheelite-type molybdates // J. Luminescence. 2016. V. 169, Pt. 2. P. 755—764. DOI: 10.1016/j.jlumin.2015.02.043Guzik M., Tomaszewicz E., Guyot Y., Legendziewicz J., Boulon G. Spectroscopic properties, concentration quenching and Yb3+ site occupations in vacancied scheelite-type molybdates. J. Luminescence. 2016, vol. 169, no. 2, pp. 755—764. DOI: 10.1016/j.jlumin.2015.02.043Guzik M., Bieza M., Tomaszewicz E., Guyot Y., Boulon G. Research on the Yb3+ ion activated cubic molybdates and molybdato-tungstates for optical transparent ceramics // In: Quantum Nano-Photonics. NATO 2017. Dordrecht: Springer, 2018. Ch. 17. P. 315—354. DOI: 10.1007/978-94-024-1544-5_17Guzik M., Bieza M., Tomaszewicz E., Guyot Y., Boulon G. Research on the Yb3+ ion activated cubic molybdates and molybdato-tungstates for optical transparent ceramics. In: Quantum Nano-Photonics. NATO 2017. Dordrecht: Springer, 2018, ch. 17, pp. 315—354. DOI: 10.1007/978-94-024-1544-5_17Klimin S. A., Popova M. N., Chukalina E. P., Malkin B. Z., Zakirov A. R., Antic-Fidancev E., Goldner Ph., Aschehoug P., Dhalenne G. Stark structure of the Yb3+ ion levels in (YbxY1-x)2Ti2O7 and the crystal field in rare-earth titanates with a pyrochlore structure // Phys. Solid State. 2005. V. 47, N 8. P. 1425—1430. DOI: 10.1134/1.2014481Klimin S. A., Popova M. N., Chukalina E. P., Malkin B. Z., Zakirov A. R., Antic-Fidancev E., Goldner Ph., Aschehoug P., Dhalenne G. Stark structure of the Yb3+ ion levels in (YbxY1-x)2Ti2O7 and the crystal field in rare-earth titanates with a pyrochlore structure. Phys. Solid State. 2005, vol. 47, no 8, pp. 1425—1430. DOI: 10.1134/1.2014481

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