Фотолюминесценция CaGa2O4, активированного редкоземельными ионами Yb3+, Er3+

В работе представлены результаты исследования люминесцентных свойств галлата кальция, активированного трехвалентными редкоземельными ионами Yb³⁺ и Er³⁺. Изучены спектры ИК-люминесценции образцов с одним активатором Ca_1‑хYb_xGa₂O₄,Ca_1‑хEr_xGa₂O₄ при возбуждении источниками излучения с длиной волны 940 и 790 нм соответственно. Получена зависимость интенсивности люминесценции образцов от концентрации редкоземельных ионов. При возбуждении двухактиваторного состава Ca_1‑х‑yYb_xEr_yGa₂O₄ полупроводниковым лазерным диодом с длиной волны 940 нм зарегистрирована ИК-люминесценция в областях 980-1100 нм и 1450-1670 нм. Излучение в этих полосах соответствует электронным переходам в ионах Yb³⁺ и Er³⁺ соответственно. Для полосы люминесценции с максимумом на длине волны 1538 нм измерены спектры возбуждения, максимум интенсивности приходится на длины волн: 930, 941, 970, 980 нм. Исследована зависимость интенсивности ИК-люминесценции твердого раствора Ca_1‑х‑yYb_xEr_yGa₂O₄  от концентрации ионов Er³⁺. С увеличением концентрации ионов Er³⁺  в спектрах люминесценции наблюдается перераспределение в интенсивностях  полос, принадлежащих ионам  Yb³⁺ и Er³⁺,  что указывает наналичии процессов переноса энергии между этими ионами. Исследована кинетика затухания ИК-люминесценции для серий  с одним и двумя активаторами: Ca_1‑хYb_xGa₂O₄,Ca_1‑хEr_xGa₂O₄, Ca_1‑х‑yYb_xEr_yGa₂O₄. Установлено, что затухание люминесценции происходит преимущественно по экспоненциальному закону, что указывает на преобладание внутрицентрового механизма люминесценции в исследуемых структурах. На основании анализа спектров возбуждения и спектров люминесценции экспериментальных образцов сделаны выводы о взаимодействии ионов активаторов Yb³⁺ и Er³⁺ в кристаллической решетке галлата кальция.

1. Rai 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/C4TC00965G

2. Гурвич А. М. Введение в физическую химию кристаллофосфоров. М.: Высш. шк., 1982. С. 59—71.

3. Ye 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 // Opt. Mater. 2014. V. 39, Iss. 11. P. 1879—1882. DOI: 10.1016/j.optmat.2014.04.028

4. Wang S, Chen W., Zhou D., Qiu J., Xu X., Yu X. Long persistent properties of CaGa2O4:Bi3+ at different ambient temperature // Am. Ceram. Soc. 2017. V. 100, N 8. P. 3514—3521. DOI: 10.1111/jace.14875

5. Пат. 2381048 (РФ), C2 МПК A62D 1/00, A62C 3/00, C09K 11/78, C09K 11/80. Люминесцентный состав для скрытой маркировки, противопожарная композиция и способ идентификации маркировки противопожарных композиций с использованием люминесцентного состава для скрытой маркировки / Л. Н. Смирнов, В. А. Большухин, Д. Г. Снегирёв, М. Ю. Овсянников, С. В. Баженов, Н. П. Копылов, 2010.

6. Пат. 2546465 (РФ), C2 МПК B42D 25/415. Признак подлинности в виде люминофора / Т. Гиринг, П. Керстен, У. Магг, Г. Грауфольг, 2015.

7. Поминова Д. В. Ап-конверсионное преобразование лазерного излучения кристаллическими биомаркерами, содержащими ионы Yb3+-Er3+: дис. … канд. физ.-мат. наук. М., 2017. 124 с.

8. Георгобиани А. Н., Гутан В. Б, Манаширов О. Я. Синтез и исследование ИК-люминесценции Ln2O2S:Yb (Ln=Y, La, Gd) при лазерном возбуждении // Краткие сообщения по физике ФИАН. 2010. № 10. С. 14—22.

9. 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 // Mater. Res. Bull. 2018. V. 105. P. 192—201. DOI: 10.1016/j.materresbull.2018.04.051

10. Rai M., Singh S. K., Morthekai P. 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.41.003635

11. Qin 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, N 1. P. 20275. DOI: 10.1038/srep20275

12. Иконников Д. А. Спектры поглощения, люминесценции и апконверсионные свойства редкоземельных ионов в боратах, фторидах и молибдатах: дис. … канд. физ.-мат. наук. Красноярск, 2018. 133 с.

13. Baklanova Y. V., Enyashin A. N., Maksimova L. G., Tyutyunnik A. P. Sensitized IR luminescence in Ca3Y2Ge3O12: Nd3+, Ho3+ under 808 nm laser excitation // Ceramics International. 2018. V. 44. Р. 6959—6967. DOI: 10.1016/j.ceramint.2018.01.128

14. Hu M., Wang Y., Zhu Z., You Z., Li J., Yu C. Investigation of mid-IR luminescence properties in Dy3+/Tm3+-codoped LaF3 single crystals // J. Luminescence. 2019. V. 207. P. 226—230. DOI: 10.1016/j.jlumin.2018.11.027

15. David P. S., Panigrahi P., Nagarajan G. S. Enhanced near IR downconversion luminescence in Eu3+-Yb3+ co-doped V activated ZnO host: An effort towards efficiency enhancement in Si-Solar cells // Mater. Lett. 2019. V. 249. P. 9—12. DOI: 10.1016/j.matlet.2019.03.046

16. Марьина У. А., Марьин А. П., Воробьев В.А. Синтез и исследование люминесцентных свойств CaSnO3:Yb3+,RE3+ (RE=Er, Ho,Tm) // Вестник Северо-Кавказского федерального университета. 2017. № 2 (59). С. 21—26.

17. Марьина У. А., Воробьев В. А., Марьин А. П., Пигулев Р. В. Исследование люминесценции станната кальция CaSnO3:Yb3+,Er3+,Ho3+ в области 2000 нм при ИК-возбуждении // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. №. 5. С. 413—419.

18. Марьина У. А., Воробьев В. А., Марьин А. П. Синтез системы CaSnO3:Yb3+,Er3+,Но3+ и исследование ее люминесцентных свойств при ИК-возбуждении // Известия вузов. Материалы электронной техники. 2017. Т. 20, № 1. С. 43—48. DOI: 10.17073/1609-3577-2017-1-45-50

19. Марьина У. А. Разработка технологии синтеза и исследование люминофоров на основе CaSnO3, BaSnO3, SrSnO3, активированных редкоземельными ионами: дис. … канд. техн. наук. Новочеркасск, 2018. 184 с.

20. 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.2017.07.024

21. Ahrens L. H. The use of ionization potentials. Part l. Ionic radii of the elements // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1952. V. 2, N 3. P. 155—169. DOI: 10.1016/0016-7037(52)90004-5

22. Mar’ina U. A., Vorob’ev V. A., Mar’in A. P. IR luminescence of CaGa2O4:Yb3+ excited by 940 and 980 nm radiation // Mod. Electron. Mater. 2020. V. 6, N 1. P. 31—36. DOI: 10.3897/j.moem.6.1.55165

23. Горобец Б. С., Рогожин Б. С. Спектры люминесценции минералов: Справочник. М.: Изд-во ВИМС, 2001. 316 с.

24. Казанкин О. Н., Марковский Л. Я., Миронов И. А., Пекерман Ф. М., Петошина Л. Н. Неорганические люминофоры. Л.: Химия, 1975. 192 с.

25. Фок М. В. Введение в кинетику люминесценции кристаллофосфоров. М.: Наука, 1964. 284 с.

26. Шендрик Р. Ю. Механизмы переноса возбуждения в кристаллах щелочно-земельных фторидов, активированных ионами церия и празеодима: дисс. … канд. физ.-мат. наук. Иркутск, 2011. 147 с.

27. Налбантов Н. Н. Исследование энергетических характеристик градиентных лазерных кристаллов с двойным легированием. Краснодар: ФГБОУ ВПО «КубГУ», 2014. 46 с.

28. Medintz I., Hildebrandt N. FRET - Förster Resonance Energy Transfer: From Theory to Applications. John Wiley & Sons, Inc., 2013. 816 p. DOI:10.1002/9783527656028

29. Guzik 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. P. 755—764. DOI: 10.1016/j.jlumin.2015.02.043

30. Guzik M., Bieza M., Tomaszewicz E., Guyot Y., Boulon G. Research on the Yb3+ ion activated cubic molybdates and molybdato-tungstates for optical transparent ceramics // Quantum Nano-Photonics. 2017. Ch. 17. P. 315—354. DOI: 10.1007/978-94-024-1544-5_17

31. Jiang C., Song P. Spectral Properties of Ytterbium-Doped Glasses. In: Nonlinear-Emission Photonic Glass Fiber and Waveguide Devices. Cambrige: Cambrige University Press, 2019. P. 16—64. DOI: 10.1017/9781108290074.004

32. Klimin S. A., Popova M. N., Chukalina E. P., Malkin B. Z., Zakirov A. R., Antic-Fidancev E., Goldne 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 structurex // Phys. Solid State. 2005. V. 47, N 8. P. 1425—1430. DOI: 10.1134/1.2014481

33. Shimin L., Gaoling Z., Yang L., Hao Y., Jianxun W., Gaorong H. Optical absorption and emission properties of Er3+ doped mixed alkali borosilicate glasses // Opt. Mater. 2008. V. 30. P. 1393—1398. DOI: 10.1016/j.optmat.2007.08.002

34. Strohhofer C., Polman A. Absorption and emission spectroscopy in Er3+–Yb3+ doped aluminum oxide waveguides // Opt. Mater. 2003. V. 21. P. 705—712. DOI: 10.1016/s0925-3467(02)00056-3