Структура и оптические свойства активированных ионами эрбия стеклокерамик на основе нанокристаллов ZnO и аномальное рассеяние света в них

Алексеева И.П., Дымшиц О.С., Жилин А.А., Хубецов А.А., Шемчук Д.В., Шепилов М.П.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Шепилов М.П., Дымшиц О.С., Алексеева И.П., Хубецов А.А., Шемчук Д.В., Жилин А.А. Структура и оптические свойства активированных ионами эрбия стеклокерамик на основе нанокристаллов ZnO и аномальное рассеяние света в них // Оптический журнал. 2021. Т. 88. № 7. С. 49–56. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2021-88-07-49-56

Shepilov M.P., Dymshits O.S., Alekseeva I.P., Hubetsov A.A., Shemchuk D.V., Zhilin A.A. Structure and optical properties of Er-doped transparent glass–ceramics based on ZnO nanocrystals with anomalous light scattering [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2021. V. 88. № 7. P. 49–56. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2021-88-07-49-56

Ссылка на англоязычную версию:

M. P. Shepilov, O. S. Dymshits, I. P. Alekseeva, A. A. Hubetsov, D. V. Shemchuk, and A. A. Zhilin, "Structure and optical properties of Er-doped transparent glass–ceramics based on ZnO nanocrystals with anomalous light scattering," Journal of Optical Technology. 88(7), 386-390 (2021). https://doi.org/10.1364/JOT.88.000386

Аннотация:

Изучены структура и оптические спектры стеклокерамик калиевоцинковоалюмосиликатной системы, допированных ионами Er3+ и содержащих нанокристаллы ZnO. Определены объемные доли и размеры кристаллов, записаны спектры оптической плотности и получены спектры коэффициента экстинкции стеклокерамик, созданных в результате ряда последовательных изотермических термообработок при температурах 720 и 750 °С. Коэффициент экстинкции разложен на два слагаемых, одно из которых описывает экстинкцию, обусловленную наличием свободных носителей в полупроводниковых кристаллах ZnO, а второе — рассеяние и собственное поглощение света этими кристаллами. Показано, что рассеяние света имеет аномальный характер: зависимость коэффициента рассеяния от обратной длины волны описывается степенной функцией с показателем степени, существенно превышающим рэлеевское значение 4, а измеренный коэффициент рассеяния заметно меньше рассчитанного для независимых рэлеевских рассеивателей.

Ключевые слова:

стеклокерамика, структура, нанокристаллы ZnO, рассеяние света, интерференционные эффекты

Благодарность:

Работа выполнена при частичной поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант № 19-03-00855.

Коды OCIS: 160.4670, 160.5690,160.4760, 290.5850,260.3160

Список источников:

1. Höland W., Beall G.H. Glass-ceramic technology (2nd ed.). New Jersey: Wiley, 2012. 414 p. (см. Р. 271).
2. Marghussian V. Nano-glass ceramics: Processing, properties and applications. Amsterdam: Elsevier Inc., 2015. 282 p. (см. Р. 64).
3. Shepilov M.P., Dymshits O.S., Zhilin A.A. Light scattering in glass-ceramics: Revision of the concept // JOSA B. 2018. V. 35. № 7. P. 1717–1724.
4. Левин Д.И. Релеевское рассеяние в стеклах и структура стекла // Строение стекла. Труды совещания по строению стекла / Под ред. Лебедева А.А. М.-Л.: изд. АН СССР, 1955. С. 198–201.
5. Гуревич М.М. Спектральная зависимость светорассеяния в натриево-боросиликатных стеклах // Строение стекла. Труды совещания по строению стекла / Под ред. Лебедева А.А. М.-Л.: изд. АН СССР, 1955. С. 202–206.
6. Колядин А.И. Аномальное рассеяние света в стекле // Доклады АН СССР. 1956. Т. 109. № 1. С. 64–67.
7. Колядин А.И. Аномальное рассеяние света в стекле // Опт. спектр. 1956. Т. 1. № 7. С. 907–916.
8. Andreev N.S. Scattering of visible light by glasses undergoing phase separation and homogenization // J. Non-Cryst. Solids.1978. V. 30. № 2. P. 99–126.
9. Shepilov M.P. Asymmetry parameter for anomalous scattering of light in nanostructured glasses // Opt. Lett. 2017. V. 42. № 21. P. 4513–4516.
10. Shepilov M.P. Angular distribution of light scattered by nanostructured glass predicted from experimental wavelength dependence of turbidity // OSA Continuum. 2018. V. 1. № 3. P. 939–952.
11. Shepilov М.P. Extremely low light scattering in nanostructured glasses formed by simultaneous nucleation and diffusion-limited growth of particles: Modeling // Opt. Lett. 2020. V. 45. № 13. P. 3645–3648.
12. Pinckney L.R. Transparent glass-ceramics based on ZnO crystals // Phys. Chem. Glass. — Eur. J. Glass Sci. Technol. B. 2006. V. 47. № 2. P. 127–130.

13. Yu Y., Wang Y., Chen D., Huang P., Ma E., Bao F. Enhanced emissions of Eu3+ by energy transfer from ZnO quantum dots embedded in SiO2 glass // Nanotechnol. 2008. V. 19. № 5. Р. 055711.
14. Luo Q., Qiao X., Fan X., Zhang X. Near-infrared emission of Yb3+ through energy transfer from ZnO to Yb3+ in glass ceramic containing ZnO nanocrystals // Opt. Lett. 2011. V. 36. № 15. P. 2767–2769.
15. Bang J., Yang H., Holloway P.H. E nhanced luminescence o f S iO2: Eu3+ by energy transfer from ZnO nanoparticles // J. Chem. Phys. 2005. V. 123. № 8. Р. 084709.
16. Ntwaeaborwa O.M., Holloway P.H. Enhanced photoluminescence of Ce3+ induced by an energy transfer from ZnO nanoparticles encapsulated in SiO2 // Nanotechnol. 2005. V. 16. № 6. P. 865–868.
17. Yu Y., Chen D., Huang P., Lin H., Wang Y. Structure and luminescence of Eu3+ doped glass ceramics embedding ZnO quantum dots // Ceram. Intern. 2010. V. 36. № 3. P. 1091–1094.
18. Arzumanyan G.M., Kuznetsov E.A., Zhilin A.A., Dymshits O.S., Shemchuk D.V., Alekseeva I.P., Mudryi A.V., Zhivulko V.D., Borodavchenko O.M. Photoluminescence of transparent glass-ceramics based on ZnO nanocrystals and co-doped with Eu3+, Yb3+ ions // Opt. Mater. 2016. V. 62. P. 666–672.
19. Ghaemi B., Zhao G., Huang S., Wang J., Han G. Structural and luminescence properties of Er-doped zinc–alumino–silicate glass ceramic // J. Amer. Ceram. Soc. 2012. V. 95. № 6. Р. 1911–1914.
20. 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.
21. Zhou J., Song B., Qin H., Lu W., Zhao G., Huang Z., Han G. Color-tunable and white emission of Tm3+ doped transparent zinc silicate glass-ceramics embedding ZnO nanocrystals // J. Am. Ceram. Soc. 2020. V. 103. № 2. P. 1010–1017.
22. MAUD Materials Analysis Using Diffraction, a Rietveld extended program to perform the combined analysis. http://maud.radiographema.eu/
23. Shepilov M.P. Calculation of kinetics of metastable liquid-liquid phase separation for the model with simultaneous nucleation of particles // J. Non-Cryst. Solids. 1992. V. 146. P. 1–25.
24. Agrawal A., Cho S.H., Zandi O., Ghosh S., Johns R.W., Milliron D.J. Localized surface plasmon resonance in semiconductor nanocrystals // Chem. Rev. 2018. V. 118. № 6. P. 3121–3207.
25. Duan M., Wang J., Liu C., Xie J., Han J. Effects of SnO doping on the optical properties of ZnO in glass // J. Non-Cryst. Solids. 2017. V. 459. P. 32–35.
26. Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. М.: Мир, 1986. 660 с.
27. Yang X. Electrical and optical properties of zinc oxide for scintillator applications // Dissertation for Ph. D. degree in Physics. West Virginia University, Morgantown, USA, 2008. Open access: https://researchrepository. wvu.edu/etd/2729
28. Guinier A., Fournet G. Small-Angle Scattering of X-Rays. N.Y.: Willey, 1955. 268 p.