ВЛИЯНИЕ АЛЮМИНИЯ НА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЮ ЭРБИЯ В КСЕРОГЕЛЕ ОКСИДА ТИТАНА

February 10, 2013 by admin Комментировать »

Циркунов д. А. Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники (БГУИР) ул. П. Бровки, 6, г. Минск, 220013, Беларусь тел./факс: +375(017)2938869, e-mail: miad@nano.bsuir.edu.by

диапазоне (рис. 1) с максимумом в зеленой области (~ 500 нм) с плавным спадом в длинноволновой области спектра.

Аннотация – Изучено влияние алюминия на фотолюминесценцию эрбия в оксиде титана в УФ, видимой и ИК областях спектра.

Рис. 1. Спектры ФЛ в видимом диапазоне структур 1 – Si/AI/ксерогель и 2 – З/УЗЮг/ксерогель (^036 = 302 нм, Р= 80 мВт).

Fig. 1. PL spectra in visible range of 1 – Si/AI/xerogel and 2 – Si/Si02/xerogel (Aexn = 302 nm, P = 80 mW)

I.                                       Введение

Интенсивный рост рынка устройств отображения информации и развитие оптоэлекгроники стимулируют поиск новых люминесцентных материалов. Среди таких материалов несомненный интерес представляют структуры, легированные лантаноидами, которые демонстрируют узкие и интенсивные полосы люминесценции, слабо зависящие от температуры и внешнего окружения. Такие свойства обусловлены экранизацией внутренних оптических 4f- электронов внешними s- и р-оболочками.

Целью научных исследований в данной области является поиск базового материала-носителя, усиливающего люминесцентные свойства лантаноидов. Эрбий интенсивно излучает на длине волны 1,54 мкм

–    попадающей в «окно прозрачности» оптоволоконных систем. Кроме того, ионам эрбия соответствуют полосы люминесценции в красном, зеленом и синем диапазонах видимого света, а также и в УФ-диапазоне.

Использование золь-гель-технологии для формирования материала-носителя позволяет легко варьировать в широких пределах концентрацию редкоземельного элемента и получать тонкие покрытия не только на планарных подложках, но и на структурах с сильно развитой поверхностью (пористый анодный оксид алюминия, пористый кремний) [1]. Известно, что в структуре оксид алюминия, легированный эрбием, наблюдается усиление люминесценции ионов эрбия на длине волны 1,54 мкм [2].

В данной работе исследуется влияние алюминия на люминесценцию ионов эрбия в ИК, видимой и УФ- областях.

II. Методика приготовления образцов и проведения измерений

Использовались два типа подложек. Первый – пластина кремния со слоем оксида кремния, полученного в результате термообработки в кислородной среде. Второй – пластина кремния со слоем алюминия, нанесенным методом магнетронного напыления. На все образцы наносили золь оксида титана с весовым содержанием оксида эрбия 30 %. Нанесение каждого из 5-ти слоев золя проводили путем центрифугирования на скорости 2700 мин ” в течение 0,5 мин с последующей сушкой при 200 °С. После нанесения проводили термообработку в печи при температуре 900 °С в течение 30 мин.

Для измерения спектров фотолюминесценции (ФЛ) в качестве источника возбуждения использовали лазерное излучение мощностью 80 мВт с длиной волны 302 нм. Детектирование излучения проводили при комнатной температуре, время измерения в каждой точке 500 мс.

III.                    Результаты и их анализ

Спектры ФЛ и первого, и второго образцов демонстрируют широкую полосу излучения в видимом

В диапазоне от 500 до 600 нм на обоих спектрах дополнительно присутствуют пики и провалы, связанные с абсорбцией и реабсорбцией излучения трехвалентными ионами эрбия в структуре. Для обоих образцов характерно наличие эрбиевой полосы люминесценции в красной области (660 нм). Отличительным признаком для образца на оксиде кремния является полоса ФЛ с максимумом около 805 нм, а для образца на алюминии – узкая полоса с максимумом около 380 нм, что свидетельствует о различающихся оптических центрах.

В ксерогеле оксида титана, легированного эрбием, полученном при таких же условиях, наблюдаются две фазы оксида титана – анатаз и рутил [3]. Согласно [4] полоса на 510 нм характерна для фазы аната- за, которая, вероятно, преобладает для данных образцов. Провалы соответствуют полосам спектра поглощения эрбия в зеленой области на 516, 535 и 545 нм, что обусловлено абсорбцией излучения ионом эрбия на переходах                      ^Нц^и "’S3/2.    Из

лучению ионов эрбия соответствуют полосы с максимумами на 660 ("’Рэ/г) и 805 нм ( I9/2).

Узкий пик люминесценции на длине волны 380 нм (полуширина 14 нм) предположительно связан с переходом 15/2           иона       эрбия,                              который стал воз

можен из-за встраивания алюминия в матрицу ксеро- геля в процессе высокотемпературного отжига образца с подслоем алюминия. Отсутствие полосы излучения на длине волны 380 нм на структуре кремний/оксид кремния/ксерогель, т. е. без подслоя алюминия, подтверждает связь этой полосы с алюминием в матрице ксерогеля, приводящим к изменению локального окружения иона эрбия.

Еще одно подтверждение связи полосы люминесценции на 380 нм с переходом "’Gii/2^"’li5/2HOHa эрбия можно получить, сравнивая волновые числа переходов. Фотон возбуждающего излучения с длиной волны 302 нм (волновое число-33,1-10® см’”). В случае прямого поглощения ионом эрбия падающего излучения ион переходит в возбужденное состояние ^Κΐ3/2· В матрице ксерогеля имеет место кросс-релаксацион- ное размножение возбужденных состояний. В случае структуры с подслоем алюминия высока вероятность резонансной передачи энергии от возбужденного до состояния ^К1з/2Иона эрбия двум ближайшим ионам эрбия. При этом 33,1-10® см ”достаточно для возбуждения одного иона до состояния "’Сц/г (26,3-10® см’^) и другого-до "’ΐΐ3/2 (6,5-10®см”’).

Таким образом, интенсивность полосы люминесценции на 1,54 мкм (переход "’ΐΐ3/2^"’ΐΐ5/2) для образца с подслоем алюминия при этих условиях возбуждения должна быть выше, так как количество возбужденных до состояния "’ΐΐ3/2 ионов эрбия в такой структуре должно быть больше. Результаты измерения спектров ФЛ в ИК-диапазоне подтверждают сделанное выше предположение (рис. 2).

Рис. 2. Спектры ФЛ в ИК-диапазоне структур 1 – Si/AI/ксерогель и 2 – Si/Si02/Kcepoaenb (Явозб = 302 нм, Р= 80 мВт).

Fig. 2. IR PL spectra of 1 – Si/AI/xerogel and 2 – Si/Si02/xerogel (λβχη = 302 nm, P = 80 mW)

IV.                                  Заключение

Влияние алюминия на люминесценцию эрбия в матрице оксида титана проявляется в УФ-области и приводит к появлению узкого и интенсивного пика на длине волны 380 нм, а также к усилению люминесценции на 1,54 мкм.

Автор выражает благодарность А. Подгородец- кому (Вроцлав, Польша) за помощь при измерении спектров, а также Н. В. Гапоненко и В. В. Кузнецовой (Минск, Беларусь) за стимулирующие дискуссии.

Работа выполняется при финансовой поддержке гранта INTAS 03-51-6486.

V.                           Список литературы

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

[2] Chryssou С. Е., Kenyon А. J., Smeeton Т. М. et al. Broadband sensitization of 1.53 μηι luminescence in erbium- implanted alumina //Appl. Phys. Lett. 2004. Vol. 85, N 22.

P. 5200-5202.

[3]  TsyrkunovD. A., Molchan I. S., MIslewlczJ. etal. Strong green erbium-related luminescence from a xerogel-porous anodic alumina structure // Physics, Chemistry and Application of Nanostructures, ed. by Borisenko V. E., Gaponenko S. V., Gurin V. S. World Scientific. Singapore. 2005. P. 178-182.

[4]  Montoncello F., Carotta M. C., CavlcchIB. etal. Near-infrared photoluminescence in titania: Evidence for phonon-replica effect // J. Appl. Phys. 2003. Vol. 94, N 3. P. 1501-1505.

INFLUENCE OF ALUMINIUM ON PHOTOLUMINESCENCE OF ERBIUM-DOPED TITANIA XEROGEL

Tsyrkunov D. A.

Belarusian State University of Informatics and Radloelectronlcs (BSUIR)

6                 P. Brovka Str, Minsk, 220013, Belarus Ph./fax: +375(017) 2938869, e-mail: mlad@nano. bsulr. edu.by

Abstract – Influence of aluminium upon UV, visible and IR photoluminescence under 302 nm excitation wavelength of er- bium-doped titania xerogel is investigated.

I.                                        Introduction

Intensive growing of display market stimulates development of new luminescent materials. The structures comprising lanthanides are of great interest due to narrow spectral bands and independence of their intensity and bands position on temperature. Searching of host material for RE is the main goal of RE- doped material investigation.

II.                Samples Preparing and Measuring

Two types of substrate were used. One was Si/SiOj, the other – Si/AI. Five layers of erbium doped titania xerogel were deposited on both substrates. Each deposition was accompanied by drying in air at 200 °C. Finally both of the samples were annealed at 900 °C. PL spectra were obtained in the ranges: 200- 1100 nm and 1375-1675 nm at room temperature. Laser radiation with λ«χίΐ= 302 nm and P = 80 mWwas used as excitation source.

III.                              Result and Analysis

PL spectra of both samples demonstrate broad band in visible range with maximum in green range (Fig. 1). Peaks and dips in the range 500-600 nm we associate with process of radiation absorption and reabsorption of erbium ions. Red erbium-related peak at 660 nm exists for both samples. Sharp peak (half- width=14nm) at 380 nm corresponding to ‘’Gn/2^”li5/2transition of trivalent erbium ion exists only for the sample with aluminium sublayer. Probably, annealing of Si/AI/xerogel structure result in incorporation of aluminium in titania matrix and modification of erbium ion local environment. From our view point energy 33.1-10^ cm’^ (302 nm) of ^Kiscstate of erbium ion can be well distributed to 26.3-10^ cm’^ (380 nm) and 6.5-10^ cm’^ (1.54цт) corresponding to ”Gucand ”l 13/2states, accordingly, due to crossrelaxation mechanism. Perhaps, it brings to increase of PL intensity at 1.54 цт as a result of higher probability of "’hsc^^’lisc transition. This proposal is supported with Fig. 2.

IV.                                      Conclusion

structure of erbium-doped titania xerogel layer with aluminium sublayer on silicon substrate reveal appearance of sharp peak at 380 nm and increase of 1.54 цт peak intensity. This work was supported by the grant INTAS, project 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