Разработка и исследование ИК-излучающих люминофоров на основе алюминатов редкоземельных элементов со структурой граната Поздняков, Егор Игоревич

Введение к работе

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 использовании высоких плотностей 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 исследования эффективных люминофоров на основе алюминатов РЗЭ со структурой граната позволит решить многие задачи, такие как:

- создавать приборы, применяемые в охранных системах,
пожарных сигнализациях, медицинских лазерах и приборах, поскольку
излучение в областях > 2000 нм является безопасным для людей и
животных;

- создавать на основе этих люминофоров ИК-излучающие метки и
маркеры;

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;

Целью диссертационной работы является разработка и
исследование полидисперсных люминофоров на основе алюминатов
редкоземельных элементов со структурой граната, способных
эффективно преобразовывать энергию из ближнего

ИК-диапазона в область > 2000 нм.

Основные задачи исследования:

1. Провести анализ литературных источников и патентных материалов, касающихся люминесцентных и лазерных материалов на основе граната, с целью выявления потенциальных редкоземельных ионов и их сочетаний, способных преобразовывать энергию в требуемых спектральных диапазонах, а также выбрать оптимальный метод синтеза полидисперсных люминофоров на основе алюмоиттриевого граната;

2. Предложить несколько возможных энергетических моделей, описывающих процесс преобразования излучения из области 940 - 980 нм в область 2000 - 2150 нм;

3. Провести синтез люминофоров со структурой граната, активированных редкоземельными ионами - активаторами в соответствии с предложенными моделями, изучить влияние технологических параметров, таких как время и температура прокаливания, состав минерализаторов на люминесцентные и кинетические свойства;

4. Изучить люминесцентные и кинетические свойства полученных люминофоров со структурой граната, активированных редкоземельными ионами;

5. Провести исследования, направленные на оптимизацию химических составов путем подбора концентраций редкоземельных ионов-активаторов, при которых механизмы люминесценции протекают наиболее эффективно.

Научная новизна работы

6. Предложены две энергетические модели, описывающие процесс преобразования энергии из области 940 - 980 нм в область 2000 - 2150 нм в системах активаторов (Yb³⁺, Er³⁺, Но³⁺) и (Yb³⁺, Tm³⁺, Но³⁺);

7. Показано, что в системе (Yi__x__y__zYb_xTm_yHo_z)3Al₅Oi2, излучение в области 2100 нм обусловлено излучательным переходом между уровнями ⁵1₇ и ⁵1₈ иона Но³⁺, заселение излучательного уровня ⁵1₇ иона Но³⁺, происходит по нескольким каналам, первый из которых заключается в передаче энергии с возбужденного уровня ²F_5/2 иона Yb³⁺ на уровень ⁵1₆ иона Но³⁺, с которого происходит безызлучательная передача на нижележащий излучательный уровень %, второй канал заключается в передаче энергии с уровня ³Н₅ иона Тт³⁺ на уровень % иона Но³⁺, с которого происходит безызлучательная передача на нижележащий излучательный уровень ⁵1₇, третий канал заключается в передаче энергии с уровня ³F₄ иона Тт³⁺ на уровень % иона Но³⁺;

8. Показано, что в системе (Y₁._x._y._zYb_xEr_yHo_z)3Al₅Oi2, излучение в области 2100 нм обусловлено излучательным переходом между уровнями % и ⁵1₈ иона Но³⁺, заселение излучательного уровня % иона Но³⁺, происходит по нескольким каналам, первый из которых заключается в передаче энергии с возбужденного уровня ²F_5/2 иона Yb³⁺ на уровень ⁵1₆ иона Но³⁺, с которого происходит безызлучательная передача на нижележащий излучательный уровень %, второй канал заключается в передаче энергии с уровня ⁴1_п/2 иона Ег³⁺ на уровень % иона Но³⁺, с которого происходит безызлучательная передача на нижележащий излучательный уровень ⁵1₇, третий канал заключается в передаче энергии с уровня \_3/2 иона Ег³⁺ на уровень % иона Но³⁺;

9. Установлено, что в системе (Y^.y^YbxTmyHOz^AlsO^ передача энергии происходит наиболее эффективно при соотношении концентраций активаторов Yb³⁺/Tm³⁺/Ho³⁺ = 0,25 / 0,005 /0,01;

10. Установлено, что в системе (Y^.y^YbxEryHo^AlsO^, передача энергии происходит наиболее эффективно при соотношении концентраций активаторов Yb³⁺/Er³⁺/Ho³⁺ = 0,35 / 0,015 / 0,01.

11. Установлен оптимальный технологический режим синтеза люминофоров на основе алюмоиттриевого граната, позволяющего преобразовывать энергию из области 940 - 980 нм в область 2000-2150 нм;

12. Показано, что введение в состав твердых растворов на основе алюмоиттриевого граната, активированных ионами РЗЭ, ионов Gd³⁺ и замещение ими структурообразующих ионов иттрия приводит к тому,

что в пределах концентраций (80 ± 5 %) происходит увеличение интенсивности основных полос люминесценции на 27 %;

8. Показано, что введение в состав твердых растворов на основе алюмоиттриевого граната, активированных ионами РЗЭ, ионов Ga³⁺ и замещение ими структурообразующих ионов алюминия приводит к тому, что в пределах концентраций (30 ± 5 %) происходит увеличение интенсивности основных полос люминесценции на 150 %.

Положения, выносимые на защиту

13. Энергетическая модель (Y₁._x._y._zYb_xTm_yHo_z)3Al₅Oi2, описывающая механизм преобразования энергии из области 940 нм в область 2000 - 2150 нм;

14. Энергетическая модель (Yi__x__y__zYb_xEr_yHo_z)3Al₅Oi2, описывающая механизм преобразования энергии из области 940 нм в область 2000 -2150 нм;

15. Оптимальное соотношение концентраций активаторов для твердого раствора (Y^.y^YbxTmyHo^AlsO^, при котором максимально эффективно протекают процессы заселения излучательных уровней ионов Но³⁺, и наблюдается минимально возможная интенсивность люминесценции сопутствующих полос;

16. Оптимальное соотношение концентраций активаторов для твердого раствора (Y^.y^YbxEryHOz^AlsO^, при котором максимально эффективно протекают процессы заселения излучательных уровней ионов Но³⁺, и наблюдается минимально возможная интенсивность люминесценции сопутствующих полос;

17. Влияние частичного замещения ионов Y³⁺ в кристаллической решетке алюмоиттриевого граната на ионы Gd³⁺ и их оптимальная концентрация, составляющая (80 ± 5 %) и обеспечивающая максимальное увеличение интенсивности полос люминесценции в области 2000-2150 нм;

18. Влияние частичного замещения ионов А1³⁺ в кристаллической решетке алюмоиттриевого граната на ионы Ga³⁺ и их оптимальная концентрация, составляющая (30 ± 5 %) и обеспечивающая максимальное увеличение интенсивности полос люминесценции в области 2000-2150 нм.

Практическая значимость и реализация работы

Разработаны люминофоры на основе алюмоиттриевого граната, активированного ионами редкоземельных элементов, способные

преобразовывать энергию возбуждающего излучения из области 940 - 980 нм в область 2000 - 2150 нм. Полученные люминофоры могут найти применение в качестве источников возбуждающего излучения, в качестве приборов охранных систем и сигнализаций, медицинских приборов. Помимо этого, полученные модели могут найти применение при создании лазеров на основе полученных сочетаний и концентрационных соотношений редкоземельных ионов в кристаллической решетке алюмоиттриевого граната. Результаты диссертационной работы использованы в производственном процессе получения люминофора АИГ-1000/2100 в ООО НПФ «ЛЮМ» при разработке серии люминофоров, преобразующих излучение полупроводниковых лазеров диапазона 940 - 980 нм в излучение диапазона 2000 - 2150 нм. Отработанные технологические приемы могут применяться для синтеза люминофоров на основе алюмоиттриевого граната с другими активаторами.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на международных, всероссийских и региональных конференциях:

IV Международная научная конференция студентов, аспирантов, молодых ученых «Научный потенциал студенчества в XXI веке» Ставрополь: СевКавГТУ, 2010 г; X юбилейная международная научная конференция "Химия твёрдого тела: наноматериалы, нанотехнологии" Ставрополь: СевКавГТУ 2010 г; Восьмая ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН Ростов-на-Дону, 2012 г; Общероссийская с международным участием научная конференция «Полифункциональные химические материалы и технологии» Томск, 2012 г; XI Международная научная конференция "Химия твердого тела: Наноматериалы, нанотехнологии", Ставрополь: СевКавГТУ 2012 г; Девятая ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН Ростов-на-Дону, 2013 г.

Публикации

Результаты проведенных исследований автора отражены в 12 печатных работах, из них 6 работ в изданиях, рекомендованных ВАК Минобразования и науки РФ.

Структура и объем работы

Диссертация изложена на 170 страницах машинного текста, включает 97 рисунков и 14 таблиц.

Работа состоит из введения, 6 глав, и списка использованных источников из 201 наименования и приложения.

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

Разработка состава и методов получения активированного Bi модельного стекла на силикатной основе и исследование факторов, влияющих на формирование в нем ИК люминесцирующих центровШульман, Илья Леонидович

Разработка, исследование и моделирование процессов изготовления интегрально-оптических элементов в кристаллах ниобата лития Апраксин Дмитрий Васильевич

Разработка и исследование технологии осаждения многокомпонентных стекловидных пленок методом Вч-магнетронного распыления со смещением для БГИС АПОИ 4-5 поколенийПерелыгин, Игорь Захарович

Исследование и разработка барьерных пленок с толщинами до 100 А на входе микроканальных пластин для электровакуумных приборов 3-го поколенияКройчук, Кирилл Львович

Разработка и исследование технологических процессов анодного сращивания полупроводниковых структурДьячков, Сергей Александрович

Разработка и исследование технологических основ создания углеродных нанотрубок методом каталитического пиролиза этанолаСимунин Михаил Максимович

Разработка и исследование технологического процесса, режимов оборудования и методик устранения прозрачных и непрозрачных дефектов при изготовлении фотошаблонов в полупроводниковом производствеОвчинников Вячеслав Алексеевич

Разработка и исследование технологических параметров процесса эпитаксии твердых растворов AIIIN методом молекулярно-лучевой эпитаксии для интегральных газовых сенсоровЗалозный, Александр Николаевич

Разработка и исследование наноструктурированных поверхностей полимеров для электроники и медициныЛямин, Андрей Николаевич

Исследование и разработка щелевого реактора с удлиненным подложкодержателем для эпитаксиального наращивания кремния на одиночных подложкахКравченко, Анатолий Анатольевич