СИНТЕЗ И ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ЛЕГИРОВАННЫХ ЛАНТАНОИДАМИ КСЕРОГЕЛЕЙ В МЕЗОПОРИСТЫХ МАТРИЦАХ

January 19, 2013 by admin Комментировать »

Гапоненко Н. В., Борисенко В. Е., Унучек Д. Н., Маляревич Г. К. Белорусский гсударственный университет информатики и радиоэлектроники, П. Бровки, д. 6, г. Минск, 220013, Беларусь тел.: +375 (017) 2938869, e-mail: nik@nano.bsuir.edu.by Степихова М. В., Красильникова Л. В.

Институт физики микроструктур Российской академии наук ГСП-105, г. Нижний Новгород, 603950, Россия

Аннотация – Рассмотрены методика синтеза и оптические свойства мезоскопических структур ксерогель/порис- тый анодный оксид алюминия, ксеро гель/о пал, легированные эрбием и другими оптически активными лантаноидами.

I.                                       Введение

Формирование пленок центрифугированием, окунанием или распылением из пленкообразующих коллоидных растворов осуществляется посредством золь-гель перехода или гелеобразования [1]. Золи представляют собой дисперсию коллоидных частиц в жидкости [2]. Гелеобразование обусловлено возникновением в объеме жидкой системы молекулярной сетки или каркаса взаимосвязанных полимерных цепочек микронного размера и субмикронных пор. При удалении из геля жидкости формируется монолит, именуемый как ксерогель. Введение в состав золя ионов лантаноидов – эрбия, тербия и европия позволяет формировать ксерогели, проявляющие интенсивную люминесценцию в видимой и ИК-области. Благодаря сравнительно невысокой вязкости коллоидных растворов, золь-гель метод позволяет формировать пленки ксерогелей различного химического состава не только на гладкой поверхности полупроводников, линз, стекол и др., но и в мезопористых структурах. Это открывает ряд перспектив для применения метода, позволяя, например, целенаправленно изменить химический состав, удельную поверхность и оптические свойства мезопористых образцов. Развитие синтеза структур ксерогель/мезопо- ристая матрица, их структурный и оптический анализ позволяет синтезировать ряд материалов с уникальными оптическими свойствами, обусловленными в первую очередь пространственным ограничением фотонов в регулярных периодических структурах с периодом, сравнимым с длиной волны электромагнитного излучения в оптическом диапазоне.

В данном докпаде обобщены результаты синтеза, оптического и структурного анализа пленок ксерогелей в пористом анодном оксиде алюминия

Рис. 1. Структуры пористого анодного оксида алюминия и опала до и после пропитки ксерогелем. Fig. 1. Structures of porous anodic alumina and opal before and after xerogel impregnation

a и синтетических опалах (рис. 1), также приведены недавно полученные нами результаты по люминес

ценции на длине волны 1.53 мкм ксерогелей в пленках оксида железа, оксида титана и оксида кремния, легированных эрбием, сформированных в пористом анодном оксиде алюминия и синтетических опалах.

II.         Структуры ксерогель/пористый анодный оксид алюминия

Известно, что анодирование алюминия в определенных электролитах позволяет вырастить на его поверхности не только пленку плотного анодного оксида, но при использовании ряда электролитов также и пористый оксид. Пленки пористого анодного оксида алюминия представляют собой гексагонально упакованные самоорганизованные ячейки с порами, ориентированными перпендикулярно фронту анодирования диаметром от нескольких десятков до нескольких сотен нанометоров. Упорядоченная структура пористого анодного оксида алюминия может использоваться для синтеза на его основе различных нанотекстурированных материалов.

Введение в состав золя оптически активных ионов и возможность проведения золь-гель синтеза в мезоскопических порах анодного оксида алюминия позволяет формировать структуры ксерогель/пористый анодный оксид алюминия, проявляющие ряд интересных оптических свойств. Синтезированы структуры ксерогель/пористый оксид алюминия, легированные тербием и европием, проявляющие интенсивную фотолюминесценцию красного и зеленого цвета [3, 4], возбуждаемую ультрафиолетовым излучением, а также люминесцирующие в красном или зеленом диапазоне в зависимости от длины волны возбуждения [5]. Обнаружены эффекты двулучепреломления и анизотропии рассеяния света в пористом оксиде алюминия [6, 7]. Продолжаются исследования по формированию многоцветных люминесцентных надписей с помощью фотолитографии [8], а также осаждению полупроводниковых наночастиц в пористом анодном оксиде алюминия [9].

Недавно мы обнаружили интенсивную фотолюминесценцию на длине волны 1.54 мкм в легированных эрбием структурах ксерогель оксида железа/пористый анодный оксид алюминия – рис. 2. Существенно, что фотолюминесценция эрбия в таких системах, которую мы ассоциируем с оптическим переходом "’li3/2-li5/2 ионов Ег®·" характеризуется достаточно узкими спектральными линиями с полушириной около

3  нм, причем при наличии в порах анодного оксида остаточного непроанодированного алюминия интенсивность люминесценции эрбия возрастает в 2раза – рис.З Для алюмоиттриевых гранатов, пленок Si02H 3|02Я|02, сформированных золь-гель методом, полуширина полосы люминесценции на 1.54 мкм составляет 10-14 нм.

опале, имеющем в указанном диапазоне фотонную запрещенную зону рис. 4 (б) указывает на изменение возбуждения люминесценции эрбия, обусловленное, на наш взгляд, запрещеной зоной для фотонов в синтетическом опале рис. 4 (в) с энергией, соответствующей оптическому переходу      ^Hii/2 на 525 нм.

Рис. 2. Схематичное изображение структуры ксерогель/пористый анодный оксид алюминия: (а) – с остаточным алюминием, (б) – без алюминия в порах анодного оксида алюминия.

Рис. 4. Спектры возбужения люминесценции на 1.53 мкм эрбия в ксерогеле оксида титана, сформированного в пористом анодном оксиде алюминия (а) и синтетическом опале (б); спектры отражения трехмерной структуры опал/ксерогель для различных углов ориентации (в).

Длина волны, нм

Длина волны, нм

Fig. 2. Diagram of xerogei/porous anodic aiumina structures: (a) – with residuai aiuminum, (b) – without aiuminum inside the pores

Puc. 3. Спектры фотолюминесценции в области

1.    5 мкм пленок оксида железа, легированных эрбием с концентрацией оксида эрбия 10, 30 и 50 вес. %, в пористом анодном оксиде алюминия, измеренные при температуре 77 (а) и 300 (б) К.

Fig. 3. Photoiuminescence spectra of 1.5μm of Fe203 fiims doped with 10, 30, 50 wt.% of Er203 in porous anodic aiumina at 77 К (a) and 300 К (b)

III.             Структуры ксерогель/опалы

Длина волны, нм

Синтетические опалы, представляющие собой периодическую упаковку из монодисперсных сфер кремнезема субмикронного размера, являются трехмерными фотонными кристаллами оптического диапазона [10, 11]. Показано влияние фотонной запрещенной зоны на изменение спектров люминесценции и изменение кинетики люминесценции ионов и молекул, внедренных в опалы [1]. В этой работе мы показываем изменение спектров возбуждения люминесценции эрбия в структуре T1O2: Ег/опал, сформированной золь-гель методом.

Сравнение спектров возбуждения люминесценции на 1.53 мкм эрбия в ксерогеле оксида титана, сформированного в пористом анодном оксиде алюминия, не имеющего фотонной запрещенной зоны в области наиболее эффективного возбуждения на 500-550 нм рис. 4 (а) и синтетическом

Fig. 4. Photoiuminescence excitation spectra for 1.53- μm emission from Er-doped titania xerogei in porous anodic aiumina (a) synthetic opai (b); reflection spectra of the structure opai/xerogei for various orientation angles

Таким образом, технология синтеза легированных лантаноидами ксерогелей в мезопористых матрицах позволяет формировать люминесцентные структуры, отличающиеся диапазоном излучения, шириной спектральных линий, а также условиями и спектрами возбуждения люминесценции. При дальнейшем совершенствовании структуры ксерогель/пористая матрица могут найти применение в дисплейных технологиях, устройствах отображения информации и элементах планарной оптоэлектроники.

Авторы выражают благодарность А. В. Мудрому и А. П. Ступаку за помощь при измерении спектров опалов, а также М. И. Самойловичу и его группе за предоставление синтетических опалов. Работа выполняется при финансовой поддержке гранта INTAS

03-51-6486.

V.                           Список литературы

[1]  гапоненко Н. В. Пленки, сформированные золь-гель методом на полу- проводниках и в мезопористых матрицах. – Мн: Беларуская навука, 2003. – 136 с.

[2]  Borisenko V. Е., Ossicini S. What is what in the nanoworld. – Willey-VCH Weinheim, 2004.

[3]  Gaponenko N. V., Davidson J. A., IHamilton B., Skeldon P., Thompson G. E., Zhou X., Pivin J. C. Strongly enhanced Tb luminescence from titania xerogei solids mesoscopically confined in porous anodic alumina // Appl. Phys. Lett. – 2000. – Vol. 76, N 8. – P. 1006-1008.

[4]  Gaponenko N. V., Molchan I. S., Thompson G. E., Skeldon P., Pakes A., Kudrawiec R., Bryja L., Misiewicz

J. Photoiuminescence of Eu-doped titania xerogei spin-on deposited on porous anodic alumina // Sensors and Actuators A. – 2002. – Vol. 99. – P. 71 -73.

[5]  G. K. Maliarevich, I. S. Molchan, N. V. Gaponenko,

S.       V. Gaponenko, A. A. Lutich, G. E. Thompson, Porous anodic alumina and sol-gel products for optoelectronic application // J. SID (2006) – in press.

[6]  A. A. Лютич, И. С. Молчан, Η. В. Гапоненко. Двулуче- преломление в пористом анодном оксиде алюминия // Оптика и спектроскопия – 2004 -Т. 97, N 5. – С.871-875.

[7]  Lutich А. А., Gaponenko S. V., Gaponenko Ν. V., Molchan I. S., Sokol V. A. and Parkhutik V. Anisotropic light scattering in nanoporous materials: a photon density of states effect/ZNano Lett. – 2004 – Vol. 4, N 9. – P. 1755- 1758.

[8]  Gaponenko N. V., Molchan I. S., Thompson G. E., Lam- bertini V., Repetto P. High-efficient luminescent sources fabricated in mesoporous anodic alumina by sol-gel synthesis // J. SID. – 2003. – Vol. 11, N 1. – P. 27-32.

[9]  N. V. Gaponenko, I. S. Molchan, D. A. Tsyrkunov,

G.       K. Maliarevich, M. AegerterJ. Puetz, N. Al-Dahoudi,

J. Misiewicz, R. Kudrawiec, V. Lambertini, N. Li Pira,

P. Repetto. Optical and structural properties of sol-gel derived materials embedded in porous anodic alumina. Microelectronic Engineering – 2005. – Vol. 81. – P. 255-261.

[10]V. N. Bogomolov, S. V. Gaponenko, I. N. Germanenko,

A. M. Kapitonov, E. P. Petrov, N. V. Gaponenko,

A. V. Prokofiev, A. N. Ponyavina, N. I. Silvanovich,

S.       M. Samoilovich. Photonic band gap phenomenon and optical properties of artificial opals. Phisycal Review E,

1997, V. 55, No. 6, pp. 7619-7625.

[11]M. Yu. Tsvetkov, S. M. Kleshcheva, M. I. Samoilovich,

N. V. Gaponenko, A. N. Shushunov. Erbium photoiuminescence in opal matrix and porous anodic alumina nanocomposites. Microelectronic Engineering, 2005, v. 81. p. 273- 280.

SYNTHESIS AND PHOTOLUMINESCENCE OF LANTHANIDE-DOPED XEROGELS IN MESOPOROUS MATRIX

Gaponenko N. V., Borisenko V. E.,

Unuchek D. М., Maliarevich G. K.

Belarusian State University of Informatics and Radioeiectronics 6, P. Browka Str, Minsk, 220013, Belarus Ph.: +375(017) 2938869 e-mail: nik@nano.bsuir edu. by Stepikhova M. V., Krasilnikova L. V.

Institute for Physics of Microstructures,

Russian Academy of Sciences GSP-105, Nizhniy Novgorod, 603950, Russia

Abstract – The method of synthesis of the mesoscopic structures xerogei/porous anodic alumina (PAA), xerogel/opal, doped with erbium and other optically active lanthanides and their optical properties are considered.

I.                                         Introduction

Fabrication of the films by spinning, dipping of spraying from the coatable colloidal solution occurs through sol-gel route or gelation [1]. Introduction ofthe lanthanide ions-erbium, terbium or europium into the sol allow manufacturing xerogels revealing intensive photoiuminescence (PL) in a visible and IR- range. Due to relatively low viscosity of colloidal solution sol-gel method could be used for fabrication of xerogei films in mesoporous structures as well.

Development of synthesis of the xerogel/mesoporous matrix, their structural and optical analyses allow fabricating new materials arising mainly from spatial confinement of photons in regular periodical structures with the period compared to electromagnetic wavelength in optical range. This report summarizes the results of synthesis, optical and structural analyses of xerogei films in PAA and synthetic opals. Our recent results of PL at 1.53 μm in the Er- doped structures are also presented here.

II.                                        Main Part

Films of PAA comprises from hexagonally packed selforganized cells with the pores oriented perpendicular to the anodizing plane with the size ranging from tenth to hundreds of nanometers. PAA films are considered as an appropriate template for synthesizing diverse optically active species inside the channels of the pores, using sol-gel technology. We report on strong green and red PL from xerogel/PAA structures doped with terbium and europium as well as birefringence and anisotropy of light scattering observed for PAA. It is shown that depending on the anodizing condition and chemical content of xerogels, the line width of the band at 1.53 цт for erbium-doped structures could be varied from tenth of nm for garnets, silica and titanium oxide to 1 nm for iron oxide. Significantly, presence of residual aluminium in the pores results in about 3-fold increase of erbium-related PL intensity.

Artificial opals are known as 3D photonic crystals for visible range. PL excitation spectra for the emission wavelength 1.54 цт were studied for erbium-doped xerogei embedded in artificial opals and PAA films. Opals were chosen with photonic stop-band in green spectral range, where excitation of 1.54 цгп occurs most efficiently. In comparison to the structure erbium-doped titania xerogel/PAA the PL excitation spectra for 1.54 цгп emission wavelength significantly changes for the same xerogels embedded in artificial opals. Influence of photonic stop-band on erbium PLE is discussed versus chemical factor of Si02/Ti02composite.

III.                                       Conclusion

Synthesis of the xerogels doped with lanthanide ions in mesoporous matrices allow fabricating luminescent structures which are distinctive in radioactive range, spectral line width as well as excitation conditions and their spectra. Further development of the structure xerogei/porous matrices could be applied for display technologies, and elements of planar optoelectronics. This work was supported by the INTAS grant, project No. 03-51-6486.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты