Структурные, оптические и люминесцентные свойства сцинтилляционной оптической керамики ZnO:Ga

Горохова Е.И., Еронько С.Б., Орещенко Е.А., Сандуленко А.В., Родный П.А., Черненко К.А., Веневцев И.Д., Кульков А.М., Muktepavela F., Boutachkov P.

Полный текст «Оптического журнала»

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Горохова Е.И., Еронько С.Б., Орещенко Е.А., Сандуленко А.В., Родный П.А., Черненко К.А., Веневцев И.Д., Кульков А.М., Muktepavela F., Boutachkov P. Структурные, оптические и люминесцентные свойства сцинтилляционной оптической керамики ZnO:Ga // Оптический журнал. 2018. Т. 85. № 11. С. 90–100. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2018-85-11-90-100

Gorokhova E.I., Eronko S.B., Oreshchenko E.A., Sandulenko A.V., Rodniy P.A., Chernenko K.A., Venevtsev I.D., Kulkov A.M., Muktepavela F., Boutachkov P. Structural, optical, and luminescence properties of ZnO:Ga optical scintillation ceramic [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2018. V. 85. № 11. P. 90–100. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2018-85-11-90-100

Ссылка на англоязычную версию:

E. I. Gorokhova, S. B. Eron’ko, E. A. Oreshchenko, A. V. Sandulenko, P. A. Rodnyĭ, K. A. Chernenko, I. D. Venevtsev, A. M. Kul’kov, Faina Muktepavela, and Plamen Boutachkov, "Structural, optical, and luminescence properties of ZnO:Ga optical scintillation ceramic," Journal of Optical Technology. 85(11), 729-737 (2018). https://doi.org/10.1364/JOT.85.000729

Аннотация:

Исследованы характеристики керамик составов ZnO и ZnO:Ga, изготовленных методом одноосного горячего прессования. Коротковолновая граница прозрачности керамик из оксида цинка расположена в области длины волны 370 нм, положение длинноволновой границы определяется концентрацией свободных носителей заряда и находится в интервале от 5 до 9 мкм. Полное пропускание таких керамик в видимой и ближней инфракрасной областях спектра составляет около 70% при толщине образца 0,5 мм. Спектр люминесценции представлен широкой полосой излучения с максимумом на длине волны 580 нм, имеющей дефектную природу. Введение галлия в структуру оксида цинка в количестве 0,03–0,1 масс % ингибирует рост зерен и приводит к увеличению концентрации свободных носителей заряда до 3,44×1019 см–3. В керамике состава ZnO:Ga с увеличением концентрации галлия в диапазоне 0,05–0,1 масс % подавляется дефектная полоса люминесценции и формируется характерная экситонная люминесценция c максимумом, соответствующим 389 нм, и постоянной времени затухания 1,1 нс.

Ключевые слова:

легированный галлием оксид цинка, одноосное горячее прессование, экситонная люминесценция, сцинтилляционная керамика

Благодарность:

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-52-76002.

Коды OCIS: 160.2540, 160.4760

Список источников:

1. Orgur U., Alivov Ya.I., Liu C., Teke A., Reshnikov M.A., Dogan S., Avrutin V., Cho S.-J., and Morkoc H. A comprehensive review of ZnO materials and devices // J. Appl. Phys. 2005. V. 98. Art. № 041301.
2. Makino T., Segawa Y., Yoshida S., Tsukazak A., Ohtomo A., and Kawasaki M. Gallium concentration dependence of roomtemperature near-band-edge luminescence in n-type ZnO:Ga // Appl. Phys. Lett. 2004. V. 85. P. 759–761.
3. Bourret-Courchesne E.D., Derenzo S.E., Weber M.J. Development of ZnO:Ga as an ultra-fasts cintillator // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. 2009. A 601. P. 358–363.
4. Cooper J.C., Koltick D.S., Mihalzo J.T., and Neal J.S. Evaluation of ZnO(Ga) coatings as alpha particle transducers within a neutron generator // Nucl. Instr. Meth. A. 2003. V. 505. P. 498–501.
5. Neal J.S., Giles N.C., Yang X., Wall R.A., Ucer K.B., Williams R.T., Wisniewski D.J., Boatner L.A., Rengarajan V., and Nemeth B. Evaluation of melt-grown, ZnO single crystals for use as alpha-particle detectors // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2008. V. 55. P. 1397–1403.
6. Gorokhova E.I., Anan’eva G.V., Demidenko V.A., Rodnyi P.A., Khodyuk I.V., Bourret-Courchesne E.D. Optical, luminescence, and scintillation properties of ZnO and ZnO:Ga ceramics // J. Opt. Technol. 2008. V. 75. P. 741–746.
7. Neal J.S., DeVito D.M., Armstrong B.L., Hong M., Kesanli B., Yang X., Giles N.C., Howe J.Y., Ramey J.O., Wisniewski D.J., Wisniewska M., Munir Z.A., and Boatner L.A. Investigation of ZnO-based polycrystalline ceramic scintillators for use as α-particle detectors // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2009. V. 56. P. 892–898.
8. Chernenko K.A., Gorokhova E.I., Eron’ko S.B., Sandulenko A.V., Venevtsev I.D., Wieczorek H., and Rodnyi P.A. Structural, optical and luminescent properties of ZnO:Ga and ZnO:In ceramics // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2018. V. 65. № 8. Р. 2196–2202. DOI: 10.1109/TNS.2018.2810331
9. Márquez J.A.R., Rodríguez C.M.B., Herrera C.M., Rosas E.R., Angel O.Z., Pozos O.T. Effect of surface morphology of ZnO electrodeposited on photocatalytic oxidation of methylene blue dye. Part I: Analytical study // Int. J. Electrochem. Sci. 2011. V. 6. P. 4059–4069.

10. Черненко К.А., Михрин С.Б., Wieczorek H., Ronda C.R., Родный П.А. Источник прямоугольных рентгеновских импульсов для исследования сцинтилляторов // Письма в ЖТФ. 2015. Т. 41. № 20. С. 1–7.
11. Rodnyi P.A., Mikhrin S.B., Mishin A.N., and Sidorenko A.V. Small-size pulsed X-ray source for measurements of scintillator decay time constants // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2001. V. 48. № 6. P. 2340–2343.
12. Kaul A.R., Gorbenko O.Yu., Botev A.N., Burova L.I. MOCVD of pure and Ga-doped epitaxial ZnO // Superlattices Microstruct. 2005. V. 38. P. 272–282.
13. Chen S., Carraro G., Barreca D., Sapelkin A., Chen W., Huang X., Cheng Q., Zhange F., and Binions R. Aerosol assisted chemical vapour deposition of Ga doped ZnO films for energy efficient glazing: Effects of doping concentration on the film growth behaviour and opto-electronic properties // J. Mater. Chem. A. 2015. V. 3. P. 13039–13049.
14. Shannon R.D. Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides // Acta Cryst. 1976. V. A32. P. 751–767.
15. Горохова Е.И., Еронько С.Б., Кульков А.М., Орещенко Е.А., Симонова К.Л., Черненко К.А., Веневцев И.Д., Родный П.А., Лотт К.П., Wieczorek H. Разработка и исследование сцинтилляционной оптической керамики ZnO:In // Оптический журнал. 2015. Т. 82. № 12. С. 78–85.
16. Горелик С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов. М.: Металлургия,1978. 568 с.
17. Воробьева Н.А. Нанокристаллический ZnO(M) (M = Ga, In) для газовых сенсоров и прозрачных электродов // Диссерт. уч. ст. канд. хим. наук. М.: МГУ, 2015. 180 с.
18. Kortunova E.V., Nikolaeva N.G., Chvanski P.P., Maltsev V.V., Volkova E.A., Koporulina E.V., Leonyuk N.I., and Kuech T.F. Hydrothermal synthesis of improved ZnO crystals for epitaxial growth of GaN thin films // J. Mater. Sci. 2008. V. 43. P. 2336–2341.
19. Кузьмина И.П., Никитенко В.П. Окись цинка. Получение и оптические свойства. М.: Наука, 1984. 167 с.
20. Saadatkia P., Ariyawansa G., Leedy K.D., Look D.C., Boatner L.A., and Selim F.A. Fourier transform infrared spectroscopy measurements of multiphonon and free-carrier absorptionin ZnO // J. Electronic Materials. 2016. V. 45. № 12. P. 6329–6336.
21. Xiaocheng Y. Electrical and optical properties of zing oxide for scintillator applications // Dissert. degree D.Ph. in Physics. Morgantown, USA: West Virginia University, 2008. 168 p.
22. Bоrseth T.M., Svensson B.G., and Kuznetsov A.Yu. Identification of oxygen and zinc vacancy optical signals in ZnO // Appl. Phys. Lett. 2006. V. 89. Nov. Art. № 262112.
23. Ton-That C., Weston L., and Phillips M.R. Characteristics of point defects in the green luminescence from Zn- and O-rich ZnO // Phys. Rev. B. 2012. V. 86. Sept. Art. № 115205.
24. Ye J.D., Gu S.L., Qin F., Zhu S.M., Liu S.M., Zhou X., Liu W., Hu L.Q., Zhang R., Shi Y., Zheng Y.D. Correlation between green luminescence and morphology evolution of ZnO films // Appl. Phys. A. 2005. V. 81. P. 759–762.
25. Tay Y.Y., Tan T.T., Boey F., Liang M.H., Ye J., Zhao Y., Norby T., Li S. Correlation between the characteristic green emissions and specific defects of ZnO // Phys. Chem. Chem. Phys. 2010. V. 12. P. 2373–2379.
26. Khranovskyy V., Grossner U., Lazorenko V., Lashkarev G., Svensson B.G., Yakimova R. Conductivity increase of ZnO:Ga films by rapid thermal annealing // Superlattices Microstruct. 2007. V. 42. P. 379–386.
27. Chernenko K.A., Klimova O.G., Gorokhova E.I., Klimov G.G., Semencha A.V., Rodnyi P.A. The effect of annealing on spectra and decay time of X-ray luminescence of zinc oxide powders // IOP Conf. Series: Mater. Sci. and Eng. 2013. V. 49. P. 012028.
28. Li Q., Liu X., Gu M., Huang S., Zhang J., Ni C., Hu Y., Wu Q., Zhao S. X-ray excited luminescence of Ga- and In-doped ZnO microrods by annealing treatment // Superlattices and Microstructures. 2016. V. 98. P. 351–358.
29. Li Q., Liu X., Gu M., Li F., Zhang J., Wu Q., Huang S., Liu S. Large enhancement of X-ray excited luminescence in Gadoped ZnO-nanorod arrays by hydrogen annealing // Appl. Surface Sci. 2018. V. 433. P. 815–820.
30. Rodnyi P., Chernenko K., Klimova O., Galkin V., Makeenko A., Gorokhova E., Buettner D., Keur W., Wieczorek H. Influence of annealing on the scintillationproperties of zinc oxide powders and ceramics // Rad. Meas. 2016. V. 90. P. 136–139.
31. Boutachov P., Reiter A., Walasek-Hohne B., Gorokhova E., Rodnyi P. Radiation hardness investigation of ZnO(Ga) and ZnO(In) with heavy ion beams // Abstract SCINT 2017 — 14th Int. Conf. Scintillating Materials and Their Applications.