Структурные, оптические и люминесцентные свойства ZnO:Er-керамики

Горохова Е.И., Еронько С.Б., Орещенко Е.А., Родный П.А., Веневцев И.Д., Кульков А.М., Сухаржевская Е.С.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Горохова Е.И., Еронько С.Б., Орещенко Е.А., Родный П.А., Веневцев И.Д., Кульков А.М., Сухаржевская Е.С. Структурные, оптические и люминесцентные свойства ZnO:Er-керамики // Оптический журнал. 2019. Т. 86. № 12. С. 83–90. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2019-86-12-83-90

Gorokhova E.I., Eronko S.B., Oreshchenko E.A., Rodniy P.A., Venevtsev I.D., Kulkov A.M., Sukharzhevskaya E.S. Structural, optical, and luminescence properties of ZnO:Er ceramic [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2019. V. 86. № 12. P. 83–90. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2019-86-12-83-90

Ссылка на англоязычную версию:

E. I. Gorokhova, S. B. Eron’ko, E. A. Oreshchenko, P. A. Rodnyi, I. D. Venevtsev, A. M. Kul’kov, and E. S. Sukharzhevskaya, "Structural, optical, and luminescence properties of ZnO:Er ceramic," Journal of Optical Technology. 86(12), 814-819 (2019). https://doi.org/10.1364/JOT.86.000814

Аннотация:

Исследованы характеристики ZnO:Er-керамик, изготовленных методом одноосного горячего прессования. Установлено, что введение эрбия в структуру оксида цинка в количестве 0,16–1,0 масс.% вызывает уменьшение размера зерна керамики и приводит к появлению полос поглощения в видимой и инфракрасной области спектра, соответствующих внутриконфигурационным переходам из основного в возбуждённые состояния ионов Er3+, а также характерных полос излучения в видимой области спектра. Увеличение концентрации эрбия приводит к смещению длинноволновой границы пропускания ZnO:Er-керамики на 2–3 мкм в коротковолновую область относительно нелегированной керамики, что связано с ростом концентрации свободных носителей заряда от 4,9×1018 до 1,4×1019 см–3.
Кроме того, при увеличении концентрации эрбия падает интенсивность дефектной полосы люминесценции и ускоряется спад сцинтилляционной вспышки.

Ключевые слова:

легированная эрбием окись цинка, одноосное горячее прессование, керамика, люминесценция, время затухания

Благодарность:

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ, частично в рамках научного проекта № 19-03-00855 и частично в рамках 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., Morkoc H. A comprehensive review of ZnO materials and devices // J. Appl. Physics. 2005. V. 98. Art. no. 041301.
2. 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., 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.
3. 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.
4. 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. P. 78–85.
5. Мездрогина М.М., Еременко М.В., Смирнов А.Н., Петров В.Н., Теруков Е.И. Интенсивность излучения линии λ = 1,54 мкм в плёнках ZnO, полученных магнетронным распылением легированных Ce, Yb, Er методом диффузии // Физика и техника полупроводников. 2015. Т. 49. Вып. 8. С. 1016–1023.
6. Mezdrogina M. M., Vinogradov A. Ya., Eremenko M. V, Levitskii V. S., Terukov E. I., and Kozhanova Yu. V. Intensity of visible and IR emission of intracenter 4f transitions of RE ions in Er- and Tm-doped ZnO films with additional Ag, Li, and N impurities// Optics and Spectroscopy. 2016. V. 121. № 2. P. 220–228.
7. Loiko P., Dymshits O., Volokitina A., Alekseeva I., Shemchuk D., Tsenter M., Bachina A., Khubetsov A., Vilejshikova E., Petrov P., Baranov A., Zhilin A. Structural transformations and optical properties of glass-ceramics based on ZnO, β- and α-Zn2SiO4 nanocrystals and doped with Er2O3 and Yb2O3: Part I. The role of heat-treatment // J. Lumin. 2018. V. 202. P. 47–56.
8. Bahram Ghaemi, Gaoling Zhao, Shengchen Huang, Jianxun Wang, Gaorong Han. Structural and luminescence properties of Er-doped Zinc–Alumino–Silicate glass ceramic // J. Am. Ceram. Soc. 2012. P. 1–4.
9. Rodnyi P.A., Mikhrin S.B., Mishin A.N., Sidorenko A.V. Small-size pulsed X-ray source for measurements of scintillator decay time constants // IEEE Nuclear Science Symposium. Conference Record. 2001. V. 48. No. 6. P. 2340–2343.
10. 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.
11. 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.
12. Wang X., Kong X., Shan G., Yu Y.I., Sun Y., Feng L., Chao K., Lu S., Li Y. Luminescence spectroscopy and visible up conversion properties of Er3+ in ZnO nanocrystals // J. Phys. Chem. B. 2004. V. 108. P. 18408–18413.
13. Горелик С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1978. 568 с.
14. Кузьмина И.П., Никитенко В.П. Окись цинка. Получение и оптические свойства. М.: Наука, 1984. 167 с.
15. Saadatkia P., Ariyawansa G., Leedy K.D., Look D.C., Boatner L.A., Selim F.A. Fourier transform infrared spectroscopy measurements of multiphonon and free-carrier absorptionin ZnO // J. Electron. Mater. 2016. V. 45. No. 12. P. 6329–6336.
16. Xiaocheng Y. Electrical and optical properties of zing oxide for scintillator applications // Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in Physics. Morgantown, USA: West Virginia University, 2008. 168 p.

17. Bоrseth T.M., Svensson B.G., Kuznetsov A.Yu. Identification of oxygen and zinc vacancy optical signals in ZnO // Appl. Phys. Lett. 2006. V. 89. Art. № 262112.
18. Ton-That C., Weston L., Phillips M.R. Characteristics of point defects in the green luminescence from Zn- and O-rich ZnO // Phys. Rev. B. 2012. V. 86. Art. № 115205.
19. 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.
20. 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.
21. Chen S., Carraro G., Barreca D., Sapelkin A., Chen W., Huang X., Cheng Q., Zhange F., 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.
22. Jadwisienczak W.M., Lozykowski H.J., Xu A., Patel B. Visible emission from ZnO doped with rare-earth ions // J. Electron. Mater. 2002. V. 31. No. 7. P. 776–784.
23. Rodnyi P.A. Physical processes in inorganic scintillators. New York: CRC Press LLC, 1997. 240 p.