Симченко С.В., Немлий О.О.

Бердянский государственный педагогический университет

Исследование люминесцентных свойств оксидов щёлочноземельных металлов

Известно, что оксиды щёлочноземельных металлов легированные элементами VII группы проявляют яркую фотолюминесценцию в видимой области спектра [1]. Свечение таких люминофоров видно невооруженным глазом при комнатной температуре при возбуждении ксеноновой лампой или лазерными источниками в ультрафиолетовом диапазоне, что представляет практический интерес.

В последнее время появились работы по созданию высокопродуктивных люминофоров излучающих в видимой области и твёрдотельных лазеров с ламповой накачкой на основе оксидных стёкол щёлочноземельных металлов.

Оксиды CaO и BaO обладают хорошими механическими свойствами, тугоплавкие и технологично просты в получении. Зачастую они используются в качестве доступных и удобных модельных матриц для дальнейшего химического модифицирования [2]. Также CaO и BaO активно используются при создании других активных и пассивных оптических приборов и светоизлучающих в видимой области люминесцентных устройств.

Исследования фотоиндуцированных процессов в таких системах является весьма актуальным и направлено на более глубокое понимание механизмов и явлений происходящих на поверхности и в объёме данных систем.

В настоящей работе представлены спектры фотолюминесценции в видимой области спектра и рассмотрено влияние легирующей примеси марганца Mn на люминесцентные свойства стёкол сложного состава (CaO)_x(P₂O₅)_y и (BaO)_x(P₂O₅)_y ^*.

Образцы (CaO)_x(P₂O₅)_y и (BaO)_x(P₂O₅)_y получали методом вакуумной плавки с добавлением марганца. Для получения лучшей однородности в процессе плавки расплав перемешивался, марганец добавлялся несколькими порциями.

Для возбуждения люминесценции использовался азотный лазер ЛГН-10 с длиной волны 337 нМ. Спектры фотолюминесценции снимались на модернизированном спектральном комплексе КСВУ-12 в автоматическом режиме при комнатной температуре 20^оС, постоянном напряжении и коэффициенте усиления сигнала с ФЭУ. Сигнал фототока с ФЭУ усиливался инструментальным усилителем оригинальной конструкции [3] и регистрировался быстродействующим АЦП с одновременным отображением на экране компьютера в режиме реального времени и записью в файл данных на жёсткий диск.

Спектры фотолюминесценции в видимой области спектра представлены на рис. 1.

Как видно из графиков основной максимум люминесценции лежит в видимой области спектра и расположен на длине волны ~672нм.

Рис 1 Спектры фотолюминесценции (CaO)_x(P₂O₅)_y и (BaO)_x(P₂O₅)_y легированных марганцем: а-1%Mn, б-10%Mn.

Установлен рост интенсивности люминесценции с увеличением концентрации легирующей примеси. Положение основной полосы излучения практически не меняется для (CaO)_x(P₂O₅)_y и (BaO)_x(P₂O₅)_y, что свидетельствует о ее внутрицентровом и резонансном характере.

Также на данных образцах установлено, что легирование марганцем приводит к снижению удельного сопротивления образца.

Спектральные максимумы достаточно узкие, что, по-видимому, указывает на элементарность излучающих центров. Это означает, что за данную полосу ответственны центры свечения одного типа. Можно предположить, что основная полоса излучения в соответствии с [4] обусловлена излучением парными и тройными ассоциатами ионов Mn²⁺.

Сравнительный анализ положения спектральных максимумов и интенсивности свечения показал, что добавка примеси марганца не существенно влияет на длину волны излучения, интенсивность свечения изменяется пропорционально процентному содержанию марганца в образце.

На основе имеющихся в литературе расчетов энергетического спектра иона Mn²⁺ в кристаллической решетке оксидов кальция и фосфора и полученных нами экспериментальных результатов установлена природа и построена схема оптических переходов, ответственных за люминесценцию в исследуемых кристаллах.

Литература

1. Гайдук М.И., Золин В.Ф., Гайгерова Л.С. Спектры люминесценции европия. М.: Наука, 1974. 195 с.

2. Dorendos P. Systematic behavior in trivalent lanthanide charge transfer Energies // J. Phys.-Condens. Mat. 2003. Vol. 15, N 49. P. 6417–6434.

3. В.В. Стыров, С.В. Симченко. // Письма в ЖТФ. 2013. том 39. вып. 13. С. 85-94.

4. D.Thong, W.Heimbrodt, D.Hommeland, O.Goede. // Phys. Stat. sol. (a). 1984. V.81. №2. P. 695-700.