ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2015, том 118, № 6, с. 956-961
^^^^^^^^^^ СПЕКТРОСКОПИЯ
КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
УДК 546.273:620.192.41:535.377
РЕНТГЕНОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ И СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИОНОВ Er3+ В СТЕКЛООБРАЗНОЙ МАТРИЦЕ
ТЕТРАБОРАТА ЛИТИЯ
© 2015 г. П. С. Данилюк**, П. П. Пуга*, А. И. Гомонай*, В. Н. Красилинец*,
П. Н. Волович**, В. М. Ризак**
* Институт электронной физики НАН Украины, 88017 Ужгород, Украина ** Ужгородский национальный университет, 88000 Ужгород, Украина E-mail: actinate@gmail.com Поступила в редакцию 26.11.2014 г.
Исследованы спектры рентгенолюминесценции стекол Li2B4O7:Er в области 200—800 нм. Показано, что все идентифицированные максимумы в зависимости /РЛ = /(К) обусловлены запрещенными по четности внутриконфигурационными излучательными переходами в пределах 4/-конфигурации иона Er3+ с возбужденных уровней тонкой структуры вышележащих мультиплетов на уровень основного терма 4/15/2.
DOI: 10.7868/S0030403415060082
ВВЕДЕНИЕ
Активированный тетраборат лития (ЬТБ) хорошо известен как многофункциональное соединение, которое используется в качестве рентгено-люминофоров, сцинтилляторов и термолюминесцентных датчиков. Он успешно применяется в личной и клинической дозиметрии как ткане-эквивалентный термолюминесцентный дозиметрический материал. Поэтому разработка таких материалов для радиационного контроля имеет большую важность и чрезвычайно необходима. Обширные исследования широкозонного диэлектрика Ы2Б407 в различных фазовых состояниях, в том числе и активированного, показали [1—8], что до сих пор нет единого мнения по поводу природы излучательных центров даже для наиболее распространенного люминофора ЬТБ, активированного медью и серебром.
Известно [2, 3, 5, 9, 10], что сорт активирующей примеси в матрице тетрабората лития существенно влияет на ее люминесцентные характеристики, а также на перспективность их практического использования. Эти свойства обусловлены энергетической структурой псевдозапрещенной зоны стеклообразного Й2Б407, которая для случая широкозонных диэлектриков имеет свои особенности [5, 11, 12]. С этой точки зрения особое значение имеет поиск критериев выбора сорта активирующей примеси для модификации ЬТБ и использования их в качестве регистрирующих сред различного ионизирующего излучения. Особенно это касается информации о люминесцентных свойствах
Ы2Б407, активированного редкоземельными элементами (РЗЭ), которые сами проявляют ярко выраженные люминесцентные свойства и используются в качестве активаторов многих самостоятельно нелюминесцирующих материалов.
Отметим, что основные результаты по изучению люминесцентных свойств ЬТБ в различных фазовых состояниях в основном сосредоточены на особенностях его термостимулированной люминесценции [2—4, 7—10, 13—19], в то время как объем рентгенолюминесцентных (РЛ) исследований незначителен [5, 6, 11—14]. Нельзя не учитывать и тот факт, что тетраборат лития характеризуется высокой радиационной стойкостью к излучению, линейной дозовой зависимостью в широкой области доз (10—3—103 Гр) и высокой прозрачностью в значительном спектральном диапазоне от вакуумного ультрафиолета до далекой инфракрасной области [9, 12, 17, 18]. Сказанное выше указывает на то, что матрица ЬТБ в кристаллическом и особенно в стеклообразном состоянии является хорошим материалом для изучения электронной и локальной структур люминесценции. С другой стороны, изучение электронной и локальной структур центров люминесценции в сложных оксидах является важным для квантовой электроники и физики твердого тела. Особый интерес представляют исследования активированного РЗЭ стеклообразного Ы2Б407, поскольку оксиды лантаноидов — наиболее благоприятные объекты для легирования: при их внедрении в стеклообразный ЬТБ не происходит
Спектры РЛ стеклообразного Ы2В407, активированного Ег20з: а — 0, б — 0.0005, в — 0.001, г — 0.005, д — 0.01, е — 0.05 мол. % (Т = 293 К).
существенное изменение структуры матрицы, что в конечном счете приводит к значительному увеличению интенсивности люминесценции [3, 9, 11, 12, 18]. С практической точки зрения важными являются вопросы природы излучающих центров, детальный анализ структуры их энергетических уровней, изучение различных энергетических взаимодействий между ними, приводящих к сложным процессам передачи энергии возбуждения в стеклообразном ЬТВ, активированным Ег203.
Ранее [20] нами были изучены спектры оптического поглощения стеклообразного ЬТВ, активированного Ег203. Представляло интерес изучить поведение ионов Ег3+ при возбуждении рентгеновским излучением, поскольку практическое использование РЗЭ основано на спектроскопических свой-
ствах лантаноидов [21, 22]. Настоящая работа посвящена изучению спектроскопических характеристик ионов Ег3+ в стеклообразной матрице Ы2В407 под действием рентгеновского излучения.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В настоящей работе представлены результаты изучения спектров РЛ стеклообразного Ы2В407 с примесью эрбия — одного из самых активно исследуемых и перспективных для приложений редкоземельных активаторов диэлектрических и полупроводниковых соединений в различных фазовых состояниях. В состав таких боратов примесные РЗЭ входят обычно как трехзарядные ионы, которые взаимодействуют с электронными и
дырочными центрами захвата разупорядоченной матрицы [9—12]. При этом ионы РЗЭ занимают в каркасе стекла Ы2Б407 взаимоотдаленные позиции, что способствует появлению их собственной люминесценции [21—24]. Особенно это характерно для стеклообразной матрицы Ы2Б407, вхождение в которую тяжелых металлов реализуется намного проще, чем в кристаллическую структуру. Используемые в работе стеклообразные образцы ЬТБ, активированные Ег203, были получены методом синтеза в платиновых тиглях из расплавленного монокристалла Ы2Б407 высокого оптического качества и активатора оксида эрбия. Во избежание загрязнения конечного продукта материалом тигля его стенки покрывались предварительно синтезированным ЬТБ. Гомогенизация полученного расплава проводилась при температурах 900—950°С. Легирование образцов осуществлялось оксидом эрбия Ег203, после чего расплав охлаждался в режиме выключенной печи. Во всех случаях образцы получались в стеклообразном фазовом состоянии, что подтверждено рентгенофазовым анализом. Из полученного сплава вырезались плоскопараллельные пластинки толщиной 0.08 см, размером 0.5*0.8 см, которые полировались до 8—10 класса шероховатости поверхности. Изучение спектров РЛ осуществлялось в диапазоне 200—800 нм. Возбуждение спектров осуществлялось с помощью рентгеновской трубки БСВ-21 с кобальтовым антикатодом при напряжении 30 кВ и токе 15 мА, а исследование проводилось при комнатной температуре с помощью автоматизированной установки на базе моно-хроматора МДР-23. В качестве приемника излучения использовался фотоэлектронный умножитель ФЭУ-106. Регистрация экспериментальных данных на выходе ФЭУ обеспечивалась использованием компьютерной программы, которая задавала необходимое количество счета фотонов в каждой точке заданного спектрального интервала и шаг сканирования спектра с последующей обработкой результатов исследований.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Энергетические зависимости /РЛ = /(к) для разных концентраций Ег203 в стеклообразной матрице ЬТБ приведены на рисунке. Анализ этих спектров показывает, что для неактивированного стеклообразного Ы2Б407 (рисунок а) спектр РЛ характеризуется наличием широкой излучатель-ной полосы при 545 нм, природа которой с указанием типа энергетического перехода подробно описана в [5, 12]. При введении в такую матрицу Ег203 спектр РЛ во всей исследуемой области существенно усложняется (рисунки б—е). Сравнение энергетических зависимостей /РЛ = /(к) для неактивированного стеклообразного ЬТБ со спектром активированного стекла указывает, что
с введением примеси оксида эрбия минимальной концентрации 0.0005 мол. % (рисунок б) в спектре РЛ наблюдается полоса сложной структуры в области 300—450 нм с особенностями при 313, 336, 358, 376, 390, 403, 419 и 436 нм. Кроме этого, имеется ряд менее интенсивных максимумов при 210, 222, 233, 249, 264, 276, 290, 299 нм в диапазоне 200-300 нм и 478, 498, 526, 560, 610, 626, 660, 694, 722, 742, 778 нм в диапазоне 450-800 нм.
Дальнейшее увеличение концентрации Ег203 до 0.001 и 0.005 мол. % (рисунки в, г) существенно не изменяет структуру спектра и интенсивность излучательных полос в области 300-450 нм. В то же время с увеличением концентрации Ег203 наблюдаются меньшая выраженность и сглаженность ряда максимумов в диапазонах 200-300 и 450-800 нм. В первую очередь это относится к широким особенностям при 560, 660 и 694 нм, которые с увеличением концентрации Ег203 трансформируются в менее выраженные максимумы меньшей ширины и амплитуды (рисунки в, г). Кроме этого, при концентрациях оксида эрбия 0.001 и 0.005 мол. % в зависимости /РЛ = /(к) проявляется четкий максимум на длине волны 586 нм, который отсутствует при меньшей концентрации (0.0005 мол. %).
Интересен с практической точки зрения спектр РЛ с концентрацией 0.01 мол. % Ег203 (рисунок д). Для такого образца наблюдается резкий скачок интенсивности РЛ излучения в областях 360-420 и 420-660 нм. При этом также наблюдается существенное изменение структуры спектра. При относительно неизменной интенсивности полос РЛ в диапазоне 200-360 нм широкая полоса сложной структуры в области 300-450 нм трансформируется в интенсивную узкую полосу с максимумом при 390 нм и значительно менее интенсивную полосу с максимумом при 336 нм, а в области 450-650 нм наблюдается интенсивная широкая полоса с максимумом при 530 нм и рядом слабо выраженных особенностей при 510, 550, 572 и 594 нм. Наблюдаемая в области 200300 нм структура сильно сглажена. Из восьми максимумов, которые четко проявляются при меньших концентрациях (рисунки б-г), в данном случае достаточно четко проявляется лишь один (к = 222 нм). В то же время в области 650-800 нм четко проявляются четыре максимума (к = 660, 694, 722 и 778 нм), которые наблюдались и при меньших концентрациях Ег203. Кроме этого, при данной концентрации в зависимости /РЛ = /(к) появляетс
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.