Разработка и исследование ИК-излучающих люминофоров на основе алюминатов редкоземельных элементов со структурой граната

• Автор: Поздняков, Егор Игоревич
• Шифр специальности: 05.27.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Ставрополь
• Количество страниц: 170 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение

ГЛАВА 1 Физико-химические и люминесцентные свойства гранатов (обзор

литературы)

1.1 Фазовые диаграммы двойных оксидов

1.1 Л Система УгОз-АЬОз

1.1.2 Система (ЗсГОз - А120з

1.1.3 СистемаУгОз-ОагОз

1.2 Основные способы получения соединений со структурой граната

1.2.1 Твердофазный синтез

1.2.2 Методы совместного осаждения

1.2.3 Золь-гель метод
1.2.4 Метод вымораживания
1.2.5 Метод «горения»
1.2.6 Гидротермальный синтез
1.3 Кристаллохимические особенности соединений со структурой граната
1.4 Люминесцентные и кинетические характеристики иттрий-алюминиевых 24 гранатов, активированных различными РЗЭ
1.4.1 Системы, активированные ионами иттербия
1.4.2 Системы, активированные ионами эрбия
1.4.3 Системы, активированные ионами тулия
1.4.4 Системы, активированные ионами гольмия
1.4.5 Системы, активированные ионами неодима
1.4.6 Системы, активированные ионами самария
1.4.7 Системы, активированные ионами празеодима
1.4.8 Системы, активированные ионами тербия
1.4.9 Системы, активированные ионами европия
1.4.10 Системы, активированные ионами церия
1.4.11 Системы, активированные ионами диспрозия
Выводы к главе 1
ГЛАВА 2 Исходные материалы, методики синтеза и методы исследования
2.1 Исходные материалы
2.2 Методика приготовления исходных растворов
2.3 Методика приготовления образцов
2.4 Измерение относительной интенсивности свечения при возбуждении 62 ИК-излучением в области 700-2550 нм
2.5 Измерение спектров излучения в области 400-2100 нм 63 при возбуждении лазерным излучением с длиной волны 940 нм
2.6 Измерение послесвечения ИК- люминесценции в области 700-2100 нм
2.7 Методика проведения рентгенофазового анализа (РФА)
ГЛАВА 3 Установление оптимальных технологических
режимов синтеза
3.1 Подбор температурно-временных режимов прокаливания
3.2 Изучение люминесцентных и кинетических характеристик твердых 67 растворов (У,.хУЬх)зА15
3.3 Исследование влияния плавней на выходные характеристики 70 иттрий-алюминиевых гранатов
Выводы к главе 3

ГЛАВА 4 Исследование двухактиваторных твердых растворов на основе
иттрий-алюминиевого граната
4Л Исследование двухактиваторной системы (Yo,9-xYbo,iTmx)3Al50i2
4.2 Исследование двухактиваторной системы (Yo,9-xYbo,iErx)3Al50I2
4.3 Исследование двухактиваторной системы (YoxYbo.iHOxbAbOn
Выводы к главе 4
ГЛАВА 5 Энергетическая модель системы на основе активаторов
(Yb3+, Tm3+, Но3+)
5.1 Исследование трехактиваторной системы (Yo.s^xYbo.iTmiynHoxhAlsOn
5.2 Влияние активаторного состава на люминесцентные характеристики 115 твердых растворов (Yo,89-xYbo,iTmo,oiHox)3Al5Oi
Выводы к главе 5
ГЛАВА 6 Энергетическая модель системы на основе активаторов
(Yb3+, Ег3+, Но3+)
6.1 Исследование трехактиваторной системы (Yo^-xYbo.iEro.osHoxbAlsO^
6.2 Влияние активаторного состава на люминесцентные характеристики 137 твердых растворов (Yo.gs-xYbo.iEro.osHoxbAlsOn
6.3 Изучение влияния ионов Gd3+ и Ga3+ на люминесценцию твердых 147 растворов (Yi-x-y-zYbxEryHoz)3А150 и
Выводы к главе 6
Основные результаты и выводы
Список использованных источников
Приложение

Введение
Актуальность темы исследования
На современном этапе развития науки и техники остро стоит вопрос поиска материалов, способных эффективно преобразовывать энергию из ближнего ИК-диапазона в диапазон более 2000 нм. Необходимость поиска подобных материалов продиктована несколькими причинами. На современном рынке полупроводниковых приборов присутствуют высокоэффективные мощные источники излучения (лампы накаливания, светодиоды), способные генерировать излучение в диапазоне 940 - 980 нм, однако практически отсутствуют сопоставимые по эффективности и доступности люминофоры и лазеры, способные быть источником излучения в диапазоне более 2000 нм. Существующие люминесцентные и лазерные материалы, способные преобразовывать энергию в указанных диапазонах представлены в основном стеклами, монокристаллами на основе теллуридов, сульфидов, которые не обладают достаточной устойчивостью и химической стойкостью, что сильно ограничивает их применение в жестких условиях, например в условиях высоких температур, радиационного воздействия, а также при высоких плотностях возбуждения.
Полидисперсные люминофоры на основе алюминатов РЗЭ со структурой граната давно известны, как материалы, обладающие большим набором положительных качеств, таких как: высокая температурная, радиационная и химическая стойкость, также они положительно проявляют себя при высоких плотностях накачки или возбуждения, обладают отличными механическими и оптическими свойствами.
Разработка и исследование эффективных люминофоров на основе алюминатов РЗЭ со структурой граната позволит решить многие задачи, такие как:
- создавать на основе этих люминофоров ИК-излучающие метки и маркеры;
- создавать приборы, применяемые в охранных системах, пожарных сигнализациях, медицинских лазерах и приборах, поскольку излучение в области > 2000 нм является безопасным для людей и животных;
- на основании выявленных энергетических моделей прогнозировать состав монокристаллов и изготавливать из них активные лазерные элементы, способные в одном кристалле преобразовывать энергию в указанных спектральных диапазонах еще более эффективно, по сравнению с люминофорами аналогичного состава.
- создавать на их основе источники энергии для накачки существующих лазеров путем преобразования энергии из ближнего ИК-диапазона, в котором способны генерировать многие доступные высокоэффективные источники излучения, в область > 2000 нм;

Согласно авторам [77, 83, 99, 101] очень эффективно сенсибилизирующие свойства иона иттербия проявляются в системах (Yi.x_yYbxEry)3Al50i2.
Авторами работы [77] сообщается, что спектр поглощения монокристаллов YAG: Yb3+,Er3+ включает в себя большое число полос поглощения в областях 380, 550, 680, 800, а так же довольно интенсивные полосы в диапазоне длин волн 900 - 1080 нм. При возбуждении монокристаллов указанного состава лазерным излучением с длиной волны 970 нм, появляются полосы люминесценции в области 1450 - 1630 нм.
В работе [101] удалось получить люминесценцию в диапазоне 1400 - 1700 нм в порошковых люминофорах YAG: Yb, Er при возбуждении лазерньм излучением с длиной волны 980 нм. Указывается, что при возбуждении лазерным излучением с длиной волны 980 нм, в ионе иттербия происходит энергетический переход с основного уровня на возбужденный: 2Ь'7д —> 2F5/2. Затем с возбужденного уровня иона иттербия происходит безызлучательный переход на уровень 41ц/2 иона эрбия (2Fs/2 —> 4Iim), после чего происходит безызлучательный переход п —> 4Ii3/2- С уровня 4113/2 происходит излучательный переход
4It3/2—*■ 4Ii5/2, результатом которого является излучение с максимумом в области 1,53 мкм.
На рисунке 1.13 представлена схема энергетических уровней в указанной системе при возбуждении лазерным излучением с длиной волны 980 нм.

*о 10 ]
? 5] а

£ со ю

Р2 41/

Рисунок 1.13 - Схема энергетических переходов в УАО: УЬ, Ег при возбуждении лазерным излучением с длиной волны 980 нм [101]
В работе [83] указывается, что эрбиевые лазеры с длиной волны излучения 1,54 мкм (переход 411 з/2—>4115/2) очень привлекательны для целого ряда применений. Авторами были синтезированы монокристаллы указанного состава, была осуществлена их накачка в полосу поглощения ионов иттербия и при комнатной температуре была осуществлена генерация с длиной волны 1,6 мкм и КПД ~ 7 %. Согласно авторам, это стало возможным благодаря квазичетвырехуровневой схеме лазерного перехода с метастабильного уровня л\ъа иона Ег3+ на