Физика. Физика твёрдого тела

Скачедуб А.В., Клименко В.А.

Скачедуб А.В.:ФГБОУ ВПО КубГУ ассистент кафедры физики и информационных систем

Клименко В.А. ФГБОУ ВПО КубГУ аспирант кафедры физики и информационных систем

Исследование концентрационной зависимости параметров интенсивности ионов эрбия в кристаллах вольфрамата свинца.

Важной задачей квантовой электроники является поиск и детальное исследование новых перспективных материалов, обладающих совокупностью заданных оптических, спектрально-люминесцентных и физико-химических свойств, позволяющих значительно улучшить параметры существующих устройств и создать элементы принципиально нового типа. Получение материалов с необходимыми свойствами требует изучения фазовых диаграмм, разработку способов синтеза и роста, детальных спектроскопических исследований. Эти исследования направлены на выявление физической и энергетической структуры центров люминесценции, схем оптических и безызлучательных переходов между уровнями центров, процессов, происходящих в возбуждённом состоянии центров, что приводит к значительным временным и финансовым затратам. Поэтому принципиальное значение приобретают работы, направленные на разработку методов прогнозирования материалов с необходимым набором свойств.

Применение кристаллохимического подхода, основанного на установлении связи состав-структура-свойство, позволяет сократить путь от соединения к материалу, пригодному для изготовления оптических элементов приборов и устройств.

В данной работе исследуются сложные оксиды со структурой шеелита, которые известны как перспективные лазерные материалы. Элементарная ячейка - тетрагональная, объемноцентрированная, пространственная группа I4₁/a [1]. Такая кристаллическая структура допускает введение в свой состав разных редкоземельных активаторов с различной электронной конфигурацией. С целью установления связи состав-структура-свойство в настоящей работе исследуется концентрационный ряд монокристаллов вольфрамата свинца, активированных эрбием Er³⁺.

Согласно теории, разработанной Джаддом и Офельтом для сил осцилляторов [2‑3], которые пропорциональны сумме пар произведений квадратов матричных элементов переходов примесного иона , которые слабо зависят от окружающего кристаллического поля, умноженных на соответствующие им параметры интенсивности . Поэтому интенсивность излучения того или иного электронного перехода определятся как набором матричных элементов , значение которых зависит от природы редкоземельного иона, так и соответствующим набором параметров интенсивности , которые зависят от симметрии и интенсивности окружающего кристаллического поля.

В работе проведен анализ параметров Джадда-Офельта для монокристаллов вольфрамата свинца, активированного эрбием Er³⁺, в зависимости от концентрации примесных ионов. Рассчитанные параметры интенсивности, равно как и параметры интенсивности, полученные другими авторами статей [4‑7], приведены в таблице 1. Расчёт параметров интенсивности производился на основе спектров поглощения, взятых из статей [6‑7].

Таблица 1 – Значения параметров интенсивности ионов эрбия в кристаллах вольфрамата свинца

Кристалл	Концентрация, ат.%	×10^-20, см^2	×10^-20, см^2	×10^-20, см^2	Источник
PbWO4:Er^3+	0,20	7,99	1,25	0,66	[4]
	0,31	7.30	0.88	0.29	[5]
	0,37	8.14	0.97	0.40	[5]
	0,45	8.50	1.18	0.40	[5]
	0,50	6,83	1,11	0,62	[4]
	1,00	7,25	1,15	0,67	[4]
	1,60	3,86	1,11	0,12	[6]*
	2,00	2,13	0,50	0,47	[7]*

Звездой отмечены литературные источники, на основе которых производился расчёт параметров интенсивности ионов эрбия.

Параметры Джадда-Офельта тесно связаны с особенностями окружения иона редкоземельного металла в кристалле [5], поэтому представление зависимостей в подобном виде поможет быстрее получить новую информацию о связи спектроскопических свойств редкоземельных ионов от структурных особенностей кристаллических сред. На основе значений параметров Джадда-Офельта рассчитываются вероятности переходов, коэффициенты ветвления люминесценции и радиационные времена жизни уровней.

На рисунках 1‑3 представлены зависимости параметров интенсивности ионов эрбия, в зависимости от их концентрации в кристаллах PbWO₄ со структурой шеелита.

ат.%

×10^-20, см²

Рисунок 1 – Зависимость параметра от концентрации ионов эрбия в кристаллах PbWO₄

ат.%

×10^-20, см²

Рисунок 2 – Зависимость параметра от концентрации ионов эрбия в кристаллах PbWO₄

×10^-20, см²

ат.%

Рисунок 3 – Зависимость параметра от концентрации ионов эрбия в кристаллах PbWO₄

Изменения параметров интенсивности редкоземельного иона объясняется тем, что причинами чувствительности его отдельных переходов являются особенности локального окружения и, соответственно, тип точечной симметрии окружения примесного иона в кристаллической матрице [5]. В области малых концентраций наблюдаются небольшие колебания значений параметров интенсивности . Затем при превышении уровня легирования 1% и при последующем увеличении концентрации активатора происходит уменьшение их значений, что может говорить о появлении эффекта концентрационного тушения.

В заключении можно отметить, что полученные зависимости параметров Джадда-Офельта в кристаллах вольфрамата свинца от концентрации ионов эрбия, могут быть использованы как для уточнения теоретической модели, так и для практического использования при предсказании оптических свойств кристаллов вольфраматов.

Список литературы

1. О кристаллохимии изоморфных замещений в молибдатах и вольфраматах двухвалентных металлов / Л. Н. Демьянец, В. В, Илюхин, А. В. Чичагов и др. // Неорганические материалы. – 1967. – Т. 3. ‑ № 12. – С. 2221-2234.

2. Judd B. R. Optical absorption intensities of rare - earth ions / B. R. Judd // Phys. Rev. – 1961. – Vol. 127. – P. 750-762.

3. Ofelt G. S. Intensities of crystal spectra of rare-earth ions / G. S. Ofelt // J. Chem. Phys. – 1962. – Vol. 37. – P. 511-519.

4. Bridgman crystal growth and spectral properties of Er³⁺-doped PbWO₄ as stimulated Raman crystals / W. Xiong, L. Chen, F. Guo et al // Optical materials. – 2012. – Vol. 34. – P. 1246-1250.

5. Скачедуб А. В. Параметры интенсивности ионов эрбия в кристаллах вольфрамата свинца / А. В. Скачедуб, В. А. Клименко // Научный журнал КубГАУ. – 2013. – Т. 5. ‑ № 89. – С. 1-18.

6. Visible up-conversion luminescence in Er³⁺-doped PbWO₄ single crystals / Y. Huang, H. J. Seo, Y. Yang et al // Materials Chemistry and Physics. – 2005. – Vol. 91. – P. 424-430.

7. Huang Y. Luminescence enhancement of Er³⁺ ions and energy transfer in PbWO₄ single crystals / Y. Huang, X. Feng // J. Phys. D: Appl. Phys. – 2003. – Vol. 36. – P. 1783-1788.