Особенности механизма люминесценции и эффективного запасания энергии в монокристаллах Lu2SiO5:Ce3+

Приведены результаты спектроскопии оптического поглощения и фотолюминесценции монокристаллов Lu₂SiO₅:Ce³⁺(LSO), полученных модифицированным методом Мусатова. Спектры поглощения демонстрируют фундаментальный край собственного поглощения матрицы Lu₂SiO₅ около 200 нм и четыре примесные полосы активатора Ce³⁺ в диапазоне 250÷375 нм. Ширина запрещенной зоны, рассчитанная по положению края поглощения, составила от 6,19 до 6,29 эВ, в зависимости от направления оптического луча. Подтверждено, что примесные полосы поглощения соответствуют оптическим переходам в ионах активатора Ce³⁺, расположенных в двух кристаллографически неэквивалентных позициях Ce^I (при 3.47, 4.2 и 4.7 эВ) и Ce^II (при 3.74 эВ), изученных ранее. Из параметров полос поглощения оценены силы осциллятора для оптических переходов в ионе Ce³⁺. Спектры фотолюминесценции, возбуждаемой УФ лазерными импульсами с энергиями фотона 3.49 эВ, характеризуются тремя полосами: ~2.96, ~3.13 эВ (Ce^I) и ~2,70 эВ (Ce^II). Методом термостимулированной люминесценции исследована энергетическая структура электронных ловушек в LSO, при экспозиции кристаллов УФ источниками с различными спектральными и энергетическими характеристиками. Показано, что все полученные кривые термостимулированной люминесценции характеризуются по меньшей мере двумя максимумами при 345 и 400 К, с соотношением интенсивности 4:1, за которые ответственны электронные ловушки с глубинами 0,92÷0,96 и 1,12÷1,18 эВ. При экспозиции LSO наиболее мощным из задействованных в экспериментах излучением ртутной лампы высокого давления были впервые обнаружены ловушки, характеризующиеся глубиной 0.88 эВ. На основе полученных в работе данных об излучательных и безызлучательных переходах построена модель энергетической структуры LSO. Установлено, что механизм люминесценции в исследуемом материале, является более сложным, чем было ранее описано в литературе, не являясь исключительно внутрицентровым. Показано что при значительных энергиях возбуждения может происходить ионизация hv_a+ Ce³⁺ = Ce⁴⁺ + e^-. Сделано предположение, что в процессах запасания энергии возбуждения участвует не только активатор Ce, но и зона проводимости, равно как и ловушечные состояния, локализованные вблизи нее.

1. Huber J. S., Moses W. W., Andreaco M. S., Petterson O. A LSO scintillator array for a pet detector module with depth of interaction measurement // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2001. V. 48. P. 684—688. DOI: 10.1109/TNS.2003.812449

2. Kapusta M., Moszyński M., Balcerzyk M., Braziewicz J., Wolski D., Pawelke J., Klamra W. Comparison of the scintillation properties of LSO:Ce manufactured by different laboratories and of LGSO:Ce // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2000. V. 47, Iss. 4. P. 1. P. 1341—1345. DOI: 10.1109/23.872975

3. Melcher C. L., Eriksson L. A., Aykac M., Bauer F., Williams C., Loope M., Schmand M. Current and future use of LSO: Ce scintillators in pet // NATO Security through Science. Series B: Physics and Biophysics. 2006. P. 243—257. DOI: 10.1007/1-4020-5093-3_10

4. Dorenbos P. Directions in scintillation materials research // NATO Security through Science. Series B: Physics and Biophysics. 2006. P. 191—207. DOI: 10.1007/1-4020-5093-3_8

5. Valais I., David S., Michail C., Konstantinidis A., Kandarakis I., Panayiotakis G. S. Investigation of luminescent properties of LSO:Ce, LYSO:Ce and GSO:Ce crystal scintillators under low-energy γ-ray excitation used in nuclear imaging // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2007. V. 581, Iss. 1–2. P. 99—102. DOI: 10.1016/j.nima.2007.07.037

6. Кюри Д. Люминесценция кристаллов. М.: Изд-во иностранной литературы, 1961. 199 c.

7. Laguta V. V., Nikl M. Electron spin resonance of paramagnetic defects and related charge carrier traps in complex oxide scintillators // Phys. Status Solidi (B): Basic Research. 2013. V. 250, Iss. 2. P. 254—260. DOI: 10.1002/pssb.201200502

8. Знаменский H. В., Маныкин Э. А., Петренко Е. А., Юкина Т. Г., Малюкин Ю. В., Жмурин П. Н., Гринев В. В., Масалов А. А., Шпак А. П. Природа и механизм заряда электронных ловушек в кристалле Lu2SiO5: Сe3+ // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2004. Т. 126, № 2. С. 435–443.

9. Dorenbos P., Van Eijk C. W. E., Bos A. J. J., Melcher C. L. Afterglow and thermoluminescence properties of Lu2SiO5:Ce scintillation crystals // J. Phys.: Condensed Matter. 1994. V. 6. P. 4167—4180. DOI: 10.1088/0953-8984/6/22/016

10. Dorenbos P. Electronic structure and optical properties of the lanthanide activated RE3(Al1-xGax)5O12 (RE=Gd, Y, Lu) garnet compounds // J. Luminiscence. 2013. V. 134. P. 310—318. DOI: 10.1016/j.jlumin.2012.08.028

11. Вараксин А. Н., Соболев А. Б., Кузнецов А. Ю., Кеда О. А. Моделирование примеси церия в кристаллах LSO методом молекулярной статики // Физика твердого тела. 1997. Т. 39, № 3. С. 491—492.

12. Antich P., Parkey R., Tsyganov E., Garmash V., Zheleznykh I. Comparison of LSO samples produced by Czochralsky and modified Musatov methods // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 2000. V. 441, Iss. 3. P. 551—557. DOI: 10.1016/S0168-9002(99)00982-1

13. Бессонова Л. О., Гармаш В. М., Гармаш М. В., Теджетов В. А. Получение и исследование влияния условий выращивания на совершенство и морфологические особенности кристаллов силиката лютеция, легированного церием // Известия вузов. Материалы электронной техники. 2007. № 1. С. 40—44.

14. Гармаш В. М., Теджетов В. А., Якимова И. О. Корреляция люминесцентных свойств с температурой плавления в кристаллах вольфраматов элементов второй группы // Известия вузов. Материалы электронной техники. 2009. № 3. С. 26—32.

15. Тимохин В. М., Гармаш В. М., Теджетов В. А. Технология термостимулированной диагностики анизотропии и оптических осей кристаллов // Известия вузов. Материалы электронной техники. 2020. Т. 23, № 2. С. 99—108. DOI: 10.17073/1609-3577-2020-2-99-108

16. Cooke D., Bennett B., McClellan K., Roper J., Whittaker M., Portis A. Electron-lattice coupling parameters and oscillator strengths of cerium-doped lutetium oxyorthosilicate // Phys. Rev. B: Condenced Matter. 2000. V. 61. P. 11973—11978. DOI: 10.1103/PhysRevB.61.11973

17. Chen Y., Liu B., Shi Ch., Ren G., Zimmerer G. The temperature effect of Lu2SiO5:Ce3+ luminescence // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 2005. V. 537, N 1–2. P. 31—35. DOI: 10.1016/j.nima.2004.07.226

18. Yukihara E. G., Jacobsohn L. J., Blair M. W., Bennet B. L., Tornga S. C., Muenchausen R. E. Luminescence properties of Ce-doped oxyorthosilicate nanophosphors and single crystals // J. Luminescence. 2010. V. 130. P. 2309—2316. DOI: 10.1016/j.jlumin.2010.07.010

19. Kitaura M., Tanaka S., Itoh M., Optical properties and electronic structure of Lu2SiO5 crystals doped with cerium ions: Thermally-activated energy transfer from host to activator // J. Luminescence. 2015. V. 158. P. 226—230. DOI: 10.1016/j.jlumin.2014.10.010

20. Pidol L., Guillot-Noël O., Kahn-Harari A., Viana B., Pelenc D., Gourier D. EPR study of Ce3+ ions in lutetium silicate scintillators Lu2Si2O7 and Lu2SiO5 // J. Phys. Chem. Solids. 2006. V. 67, N 4. P. 643—650. DOI: 10.1016/j.jpcs.2005.10.175

21. Гурвич А. М. Введение в физическую химию кристаллофосфоров. М.: Высш. шк., 1971. 336 c.

22. Naud J. D., Tombrello T. A., Melcher C. L., Schweitzer J. S. The Role of Cerium Sites in the Scintillation Mechanism of LSO // IEEE Transactions on Nuclear Science. 1996. V. 43, N 3. P. 1324—1996. DOI:10.1109/23.507059

23. Ананьева Г. В., Карапетян В. Е., Коровкин А. М., Меркулаева Т. И., Песчанская И. А., Савинова И. Р., Феофилов П. П. Структурные характеристики и физические свойства кристаллов диорто(пиро)силикатов лантаноидов, иттрия и скандия, выращенных методом Чохральского // Известия Академии наук СССР. Неорганические материалы. 1982. Т. 18, № 3. С. 442—445.