Transcript wyklad 12

Luminescencja w materiałach
nieorganicznych
Wykład monograficzny
AJ Wojtowicz
Instytut Fizyki UMK
Zakład Optoelektroniki
Andrzej J. Wojtowicz wyklad
monograficzny
1
Wykład 12
PLAN
Przejścia 4f – 5d w LuAlO3:Ce
Spektroskopia optyczna
Interpretacja w oparciu o obliczenia
teoretyczne; demonstracja zgodności
jakościowej i ilościowej
Andrzej J. Wojtowicz wyklad
monograficzny
2
WSTĘP
LuAP: gęstość 8.34 g/cm3, fotoułamek 0.3,
emisja 365 nm,
czas zaniku (scyntylacji) 17 ns,
LY około 2xBGO
Przejścia 4f – 5d (absorpcja)
i 5d – 4f (emisja)
Andrzej J. Wojtowicz wyklad
monograficzny
3
PRÓBKI
2 piksele 2x2x10 mm, otrzymane w 2004 w
Instytucie Technologii Materiałów
Elektronicznych, Warszawa
(grupa prof. Tadeusza Łukasiewicza)
LuAlO3:0.07%at Ce, LuAlO3:0.15%at Ce
Widma emisji i widma wzbudzenia emisji:
Stacja Superlumi, linia – I, Hasylab, Hamburg,
Niemcy (prof. Georg Zimmerer)
Andrzej J. Wojtowicz wyklad
monograficzny
4
LuAlO3:Ce, widmo luminescencji
LuAP:0.15% Ce
12 K
275nm exc.
intensity, arb. units
6000
4000
2000
0
310
360
410
460
wavelength, nm
Andrzej J. Wojtowicz wyklad
monograficzny
5
Widma luminescencji, podsumowanie:
Dwa pasma (1600 cm-1)
Najniższy stan d → 2F5/2 357 nm
Najniższy stan d → 2F7/2 379 nm
Brak struktury
Mniej lub bardziej równe natężenia obu
pasm
Andrzej J. Wojtowicz wyklad
monograficzny
6
intensity, arb. units
Rozdzielone w czasie widma wzbudzenia
EXCITATION
SPECTRA, 298 K
LuAP:0.15% Ce
prompt
delayed
emission
at 380 nm
100
Szybka skł. 2-42 ns
opóźniona skł 140-180 ns
5dE(2)
200
5d T2(3)
300
wavelength, nm
Andrzej J. Wojtowicz wyklad
monograficzny
7
Skorygowane widma wzbudzenia
0,5
intensity, arb.units
0,4
EXCITATION SPECTRA
LuAP, 0.07% Ce
temp. 298 K
temp. 12 K
0,3
bandgap peak
0,2
emission
380 nm
t-bands
e-bands
0,1
0,0
50
100
150
200
250
300
350
wavelength, nm
Andrzej J. Wojtowicz wyklad
monograficzny
8
WIDMA WZBUDZENIA, podsumowanie:
 Silne potrójne pasmo 2F → T2
dwa silne pasma (306, 295 nm),
jedno słabe (276 nm)
34 000 ± 2000 cm-1
 Słabsze podwójne pasmo 2F → E
(226, 214 nm)
45 500 ± 1200 cm-1
Andrzej J. Wojtowicz wyklad
monograficzny
9
 Przesunięcie Stokesa ~ 4700 cm-1
 Dominuje pole kubiczne (Oh);
~ 11 500 cm-1
10Dq
słabe pole o niskiej symetrii ~ 1500 cm-1
 Stosunek natężeń dwóch pasm d
2F
→ T2 / 2 F → E
12 K ~ 4.4
298 K ~ 3.8
Andrzej J. Wojtowicz wyklad
monograficzny
10
 Oba pasma d, T2 i E, silnie rosną dla
dłuższych długości fali z rosnącą temperaturą T
 Natężenia pasm; składników pasma E;
pasmo „230 nm” rośnie,
pasmo „215 nm” maleje z T,
 maksimum pasma „230 nm” przesuwa się w
stronę dłuższych λ
Andrzej J. Wojtowicz wyklad
monograficzny
11
Maksima pasm E vs T
excitation band peak, nm
230
-1
~600 cm
PEAK POSITIONS
LuAP: 0.15% Ce
"215 nm" band
"230 nm" band
225
220
215
0
50
100
150
200
250
300
temperature, K
Andrzej J. Wojtowicz wyklad
monograficzny
12
Skorygowane widma wzbudzenia vs T
6000
intensity, arb. units
5000
4000
EXCITATION
SPECTRA, 20 K
LuAP: 0.15% Ce
prompt
delayed
3000
2000
1000
0
140
160
180
200
220
240
wavelength, nm
Andrzej J. Wojtowicz wyklad
monograficzny
13
Skorygowane widma wzbudzenia vs T
intensity, arb. units
4000
3000
EXCITATION
SPECTRA, 160 K
LuAP: 0.15% Ce
prompt
delayed
2000
1000
0
140
160
180
200
220
240
wavelength, nm
Andrzej J. Wojtowicz wyklad
monograficzny
14
Skorygowane widma wzbudzenia vs T
intensity, arb. units
3000
2000
EXCITATION
SPECTRA, 270 K
LuAP: 0.15% Ce
prompt
delayed
1000
0
140
160
180
200
220
240
wavelength, nm
Andrzej J. Wojtowicz wyklad
monograficzny
15
Rozkład widm wzbudzenia vs T
0,15
intensity, arb.units
temp. 270 K
0,10
0,05
0,00
40 000
45 000
50 000
55 000
60 000
wavenumber, cm-1
Andrzej J. Wojtowicz wyklad
monograficzny
16
TEORIA - MODEL
D.J. Robbins, YAG
J. Electrochem. Soc.
1979
p1 < p1’
Termicznie
aktywowane
przejścia z wyżej
leżącego poziomu
stanu podstawowego
p1 < p2
p2’ < p1’
Różne momenty
przejścia
Andrzej J. Wojtowicz wyklad
monograficzny
PRZESUNIĘCIA
PASM
17
Obsadzenia poziomów ΔE w T
n
 E 
 exp 

Nn
 kT 

 E  
 E 
n 1  exp 
   N exp 

 kT  
 kT 

 E 
exp 

N
kT 

nN

 E 
 E 
1  exp 
 1  exp

 kT 
 kT 
Andrzej J. Wojtowicz wyklad
monograficzny
18
I 230
I 230
Natężenia pasm 5d E vs T




1
1


 N 1
 p1  N 
 p2

 E  
 E 
1  exp


 1  exp
 kT  
 kT 

p1

 E  


 E 
 1  exp

 p1 exp
  p2 
p2
kT 
 kT  




 N
 Np 2


 E  
 E  
1  exp
 
 
 1  exp

 kT  
 kT  


Andrzej J. Wojtowicz wyklad
monograficzny
19
Natężenia pasm 5d E vs T


p

E


 1  1 exp


 kT  
p2
I 230  Np 2 


E
 
 1  exp

 kT  



,


p

E


1
 1  exp


,

 kT  
p2
,
I 215  Np2 


E
 
 1  exp


 kT  


Andrzej J. Wojtowicz wyklad
monograficzny
20
Natężenie pasma „230 nm” vs T, eksperyment i teoria
500
LuAP, 4f-5d(e) - 230 nm
p1/p2 = 0.151 ± 0.02
intensity, arb. units
450
-1
 E = 276 ± 1 cm
400
2
R = 0.966
350
300
250
200
0
50
100
150
200
250
300
temperature, K
Andrzej J. Wojtowicz wyklad
monograficzny
21
Natężenie pasma „215 nm” vs T, eksperyment i teoria
intensity, arb. units
350
300
250
LuAP, 4f - 5d(e) 215 nm
p1/p2 = 7 ± 5
200
E = 116 ± 20
150
100
2
R = 0.87
0
50
100
150
200
250
300
temperature, K
Andrzej J. Wojtowicz wyklad
monograficzny
22
Stosunek natężeń vs T, eksperyment i teoria
LuAP, intensity ratio
230 nm/215 nm
intensity ratio, arb. units
2,0
1,5
1,0
0,5
0
50
100
150
200
250
300
temperature, K
Andrzej J. Wojtowicz wyklad
monograficzny
23
DIAGRAM poziomów 5d
Kolejność poziomów musi być zgodna z
eksperymentem
Γ7, Γ8 podwójne reprezentacje grupy Oh
Andrzej J. Wojtowicz wyklad
monograficzny
24
DIAGRAM poziomów 4f
Kolejność poziomów musi być zgodna z
eksperymentem
Γ6, Γ7, Γ8 podwójne reprezentacje grupy Oh
Andrzej J. Wojtowicz wyklad
monograficzny
25
Elementy macierzowe momentu przejścia
(siły linii)
pomiędzy
stanami Γ6, Γ7, Γ8 z poziomu 2F7/2 i
stanami Γ7, Γ8 z 2F5/2 konfiguracji 4f
i
stanami Γ8, Γ7 z poziomów T2 i
E konfiguracji 5d
T. Hoshina, J. Phys. Soc. Jap., 1980
Andrzej J. Wojtowicz wyklad
monograficzny
26
5dT2 Γ8a 5dT2 Γ8b
5dT2 Γ7
5dE Γ8a
5dE Γ8b
4f 2F7/2 Γ6
8,5713
25,7142
0,00
25,7144
25,714
4f 2F7/2 Γ8b
12,2448
12,2449
24,4902
18,3674
18,3674
4f 2F7/2 Γ8a
12,2449
12,245
24,49
18,3674
18,3674
4f 2F7/2 Γ7
4,0816
4,0816
65,307
6,1224
6,1224
4f 2F5/2 Γ8b
6,8028
33,4696
2,1876
1,6326
41,6327
4f 2F5/2 Γ8a
33,469
6,8028
2,1768
41,6314
1,6326
4f 2F5/2 Γ7
34,014
34,0138
1,3605
8,1632
8,1632
Andrzej J. Wojtowicz wyklad
monograficzny
27
Najniższy poziom 4f (absorpcja), opcje:
5d T2
5d E
5dE/5dT2
4f 2F5/2 Γ8b 42,46004
43,2653
1,02
4f 2F5/2 Γ8a
42,4486
43,264
1,02
4f 2F5/2 Γ7
69,38833
16,3264
0,24
0.24 to jedyna opcja dla której T2 ma większy
udział, zgodnie z eksperymentem:
4f Γ7 stan podstawowy
Andrzej J. Wojtowicz wyklad
monograficzny
28
Kolejność poziomów 5d T2 (absorpcja),
odpowiednie elementy macierzowe:
5dT2Γ8a 5dT2Γ8b 5dT2Γ7
4f2F5/2 Γ8b
6,8028 33,46962 2,18762
4f2F5/2 Γ8a
33,469
6,8028
2,1768
4f2F5/2 Γ7
34,014 34,0138 1,36053
Tylko stan podstawowy 4f Γ7 oraz 5d Γ8
poniżej Γ7 są zgodne z dwoma silnymi i
jednym słabym przejściem tworzącymi pasmo
4f 2F5/2 → 5d T2
Andrzej J. Wojtowicz wyklad
monograficzny
29
Najniższy poziom 5d (emisja), opcje:
5dT2 Γ8a
5dT2 Γ8b
5dT2 Γ7
5dE Γ8a
5dE Γ8b
4f2F7/2
4f2F5/2
TOTAL
37,1426
74,2858 111,4284
54,28574 74,28622 128,57196
114,2872
5,72495 120,01215
68,5716
51,4272 119,9988
68,5712
51,4285 119,9997
Γ8a i Γ8b dają rozsądne wartości dla
stosunków pasm 2F7/2 i 2F5/2 – Γ8 poniżej Γ7
Andrzej J. Wojtowicz wyklad
monograficzny
30
Termicznie indukowane przejścia; siły linii
pomiędzy stanami 5dEΓ8 i dwoma najniższymi
poziomami 4f:
4f2F5/2 Γ8b
4f2F5/2 Γ8a
4f2F5/2 Γ7
5dE Γ8a 5dE Γ8b
1,6326 41,6327
41,6314
1,6326
8,1632
8,1632
p1/p2 = 0.2 (eksperyment 0.15±0.02)
p’1/p’2 = 5 (eksperyment 7±5)
Andrzej J. Wojtowicz wyklad
monograficzny
31
PODSUMOWANIE
Dominujące pole kubiczne i składowa
niskosymetryczna określają poziomy stanu
podstawowego i wzbudzonego jonu Ce3+ w
LuAP,
w porządku rosnących energii:
4f 2F5/2: 2F5/2Γ7, 2F5/2Γ8a, 2F5/2Γ8b
5d 2D: T2Γ8a, T2Γ8b, T2Γ7, EΓ8a, EΓ8b
Andrzej J. Wojtowicz wyklad
monograficzny
32
Wartości elementów macierzowych momentu
przejścia pomiędzy tymi stanami zgodne z
obserwowanymi natężeniami przejść w emisji i
absorpcji oraz ich temperaturowymi
zależnościami
W przeciwieństwie do YAG:Ce i BaF2:Ce,
w LuAP, YAP i LuYAP kolejność poziomów
dla stanu podstawowego i stanu wzbudzonego
może wzmacniać samo-absorpcję emisji Ce;
Konsekwencje dla scyntylacji dużych
kryształów
Andrzej J. Wojtowicz wyklad
monograficzny
33