НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2009, том 45, № 4, с. 468-472
УДК 535.343.2;535:548
ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ Gd2O3 В Bi-СОДЕРЖАЩЕМ РАСТВОРЕ-РАСПЛАВЕ НА ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЮ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНОК Gd3Ga5O12
© 2009 г. В. В. Рандошкин*, Н. В. Васильева*, В. Н. Колобанов**, В. В. Михайлин**, Н. Н. Петровнин**, Д. А. Спасский***, Н. Н. Сысоев**
*Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, Москва **Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова ***Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова e-mail: natashav@ok.ru Поступила в редакцию 13.02.2008 г.
Методом жидкофазной эпитаксии на подложках Gd3Ga5O12 с ориентацией (111) из переохлажденного раствора-расплава на основе Bi2O3-B2O3 с разной концентрацией Gd2O3 выращены монокристаллические пленки гадолиний-галлиевого граната. Измерены спектры люминесценции выращенных пленок, возбуждаемой немонохроматизованным синхротронным излучением рентгеновского диапазона, а также при селективном возбуждении ультрафиолетовым синхротронным излучением при температурах 10 и 300 K. Обсуждена люминесценция ионов Bi3+.
ВВЕДЕНИЕ
Монокристаллические пленки на основе гадоли-ний-галлиевого граната (ГГГ), выращиваемые методом жидкофазной эпитаксии из переохлажденного раствора-расплава, - перспективные лазерные и рентгенографические материалы [1]. Одним из отличий эпитаксиальных пленок от их объемных монокристаллических аналогов является наличие дополнительного оптического поглощения, которое обусловлено примесными ионами, входящими в состав пленок из раствора-расплава и материала тигля [2-4]. Так, при использовании раствора-расплава на основе системы Bi2O3-B2O3 примесью являются ионы Bi3+ и Н3+ [3, 4]. Самым длинноволновым по-глощательным переходом на ионах висмута является переход 150 —► 3Р1 с максимумом полосы поглощения на длине волны Х^ = 290 нм.
О структурном несовершенстве монокристаллов гранатов можно судить, регистрируя спектры рент-генолюминесценции [5, 6], катодолюминесценции [7, 8], ультрафиолетовой люминесценции [9-11] и люминесценции, возбуждаемой синхротронным излучением (СИ) [12, 13].
В спектрах катодолюминесценции [8] и ультрафиолетовой люминесценции [11] объемного монокристалла ГГГ наблюдается широкая полоса ("колокол") в диапазоне длин волн Х = 260-440 нм с максимумом на длине волны Х^ - 290 нм, на фоне которой расположен узкий пик люминесценции с - 313 нм, связанный с ионом Gd3+.
Единственный узкий пик люминесценции на фоне "колокола" наблюдался также в спектрах рент-генолюминесценции объемных монокристаллов Y3Ga5O12 и Y3Al5O12 (ИАГ) [5, 6], в спектрах катодолюминесценции монокристаллов ГГГ и Gd3(Sc,Ga)5O12 [7, 10], в то время как в спектрах катодолюминесценции монокристаллов Nd3Ga5O12, Sm3Ga5O12, Ca3Ga2Ge3O12 и ИАГ наблюдался только "колокол" [7, 10].
В спектре люминесценции монокристалла ГГГ, возбуждаемой немонохроматизованным СИ рентгеновского диапазона с энергией фотонов Ну - 2 -70 кэВ, имеет место ряд узких полос ("гребенка"), причем наиболее интенсивной является коротковолновая полоса с ~ 380 нм, а распределение остальных полос по интенсивности зависит от условий выращивания монокристалла [13]. В частности, для пластины объемного монокристалла ГГГ с ориентацией (111) следующая по интенсивности полоса расположена на длине волны Х^ - 420 нм, а для ориентации (110) - на длине волны Х^ - 600 нм.
Спектр люминесценции при возбуждении немонохроматизованным СИ рентгеновского диапазона монокристалла Gd3(Sc,Ga)5O12, легированного О:, также имеет вид "гребенки", причем наиболее интенсивная полоса, не связанная с О:, расположена на Х^ - 420 нм [13]. В спектре люминесценции при возбуждении немонохроматизованным СИ рентгеновского диапазона монокристалла (Gd,Ca)3(Mg, Zr, Ga)5O12 "гребенка" наблюдается на фоне колокола в диапазоне длин волн Х - 260-550 нм с максимумом
ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ Gd2Q3 В Bi-СОДЕРЖАЩЕМ РАСТВОРЕ-РАСПЛАВЕ
469
на длине волны Х^ = 380 нм [13]. При этом максимальная интенсивность люминесценции в (в^ Ca)3(Mg,Zr,Ga)5O12 существенно выше, чем в ГГГ, что объясняется менее совершенной кристаллической структурой (Gd,Ca)3(Mg,Zr,Ga)5O12.
В спектре люминесценции эпитаксиальной пленки ИАГ при селективном возбуждении СИ в области фундаментального поглощения на фоне "колокола" расположена "гребенка" с наиболее интенсивными полосами на ХШах = 313 и 403 нм [12]. Наличие пиков на длинах волн Х^ = 307.5, 313 и 314 нм авторы [11] связывают с фоновыми примесями ионов Gd3+, на длине волны Х^ = 403 нм - с примесями ионов №3+, а на длинах волн Х^ = 380, 435, 475-490 нм - с примесями ионов ТЬ3+. Заметим, что в объемных монокристаллах ИАГ, активированных ионами ТЬ3+, полосы люминесценции расположены на длинах волн Х^ = 495, 550, 590, 630, 676, 689 нм, а в эпитаксиальных пленках ГГГ, активированных ионами ТЬ3+, - на длинах волн Х^ = 490, 545, 585, 625, 667 и 689 нм [14-16].
Цель настоящей работы - исследование люминесценции, возбуждаемой СИ в эпитаксиальных пленках ГГГ, выращенных из раствора-расплава на основе системы В1203-В203 с разной концентрацией Gd203.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В процессе ростовых экспериментов, детали которых приведены в [3, 4], концентрация оксида гадолиния изменялась от 1.0 до 7.0 мол. %. С ростом концентрации повышалась температура насыщения, и, как следствие, температура роста (tg) пленок, а концентрация Bi3+ в пленках уменьшалась.
Суммарную толщину (2h) пленок, выращенных на обеих сторонах подложки, определяли взвешиванием подложки перед ее погружением в раствор-расплав, а затем подложки с выращенной эпитаксиальной структурой (пленка/подложка/пленка). При этом пренебрегали количественным различием состава пленки и подложки.
Спектры пропускания пленок снимали с помощью спектрофотометра Lambda 900 фирмы Perkin-Elmer. Для выделения поглощения в выращенных пленках из общего поглощения в эпитаксиальных структурах предварительно измеряли спектры пропускания подложек, предназначенных для выращивания пленок.
Исследования спектров люминесценции при возбуждении немонохроматизованным СИ рентгеновского диапазона с энергией фотонов от 2 до 70 кэВ проводили на установке в канале синхротронного излучения накопителя "Сибирь-2" (энергия электронов 2.5 ГэВ) (Курчатовский центр синхротронного излучения, Москва) [13], а при селективном возбуждении СИ с энергией фотонов, варьируемой
Условия роста и параметры эпитаксиальных пленок
№ образца Gd2O3, мол. % tg,0c мкм/мин 2h, мкм
1 2.0 794 0.6 18.4
2 6.1 912 0.8 22.8
3 6.5 1045 2.7 80.3
в диапазоне от 4 до 30 эВ, - на установке 8ирег1иш1 (БЕ8У, Гамбург, Германия) [12, 14, 15].
Условия роста и параметры образцов приведены в таблице.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
При выращивании эпитаксиальных пленок ГГГ из растворов-расплавов на основе системы В1203-В203 происходит изоморфное изовалентное замещение ионов Gd3+ (ионный радиус г з+ = 1.06 А в кислородном окружении) на ионы В13+ (г з+ = 1.17 А) в
додекаэдрической подрешетке. В связи с этим крупный ион висмута искажает кристаллическую решетку граната, увеличивая параметр решетки пленки и вызывая ее сжатие.
В спектрах оптического поглощения пленок обнаружена полоса поглощения с максимумом на длине волны X = 290 нм (34480 см-1), обусловленная электронным переходом —► 3Р1 ионов В13+ (6я2) (рис. 1).
На рис. 2 приведены спектры люминесценции /(X) эпитаксиальных пленок ГГГ при возбуждении немонохроматизованным СИ рентгеновского диапазона (Ну ~ 2-70 кэВ). Как и для объемных монокристаллов ГГГ, наиболее интенсивными являются
а, см 5000
4000 3000 2000 1000 0
f I Bi3+ {Bi3+(6s2, ^о) — Bi3 + (6s1 6p1,3P1} 290 нм
250 300 350 400
X, нм
Рис. 1. Спектры оптического поглощения эпитаксиальных пленок ГГГ (номера кривых соответствуют номерам образцов в таблице).
I, отн. ед.
1000
100
'Щ.
"Щ
I /<
Р *
? \
I 4
п * +
I \
V
и
I I
/
I £
1 оф
У
- у
А Л^
-У* т/ ?
300
350
400
450
500
Х, нм
Рис. 2. Спектры люминесценции эпитаксиальных пленок ГГГ при возбуждении немонохроматизованным СИ рентгеновского диапазона при температуре 300 K (номера кривых соответствуют номерам образцов в таблице).
1
полосы с центрами на длинах волны Хтах - 382, 415 и 438 нм. Это позволяет сделать вывод о том, что основной вклад в люминесценцию (рис. 2) дает подложка, поскольку пленка является практически прозрачной для излучения с Ну ~ 2-70 кэВ.
Этот вывод подтверждают результаты работы
[17], где наблюдалась ультрафиолетовая люминесценция монокристаллов и пленок ГГГ, возбуждаемая излучением дейтериевой лампы. Спектр люминесценции пластины ГГГ имел вид "гребенки", причем наиболее интенсивная полоса была расположена на длине волны Хтах - 706 нм. Если на поверхность этой пластины ГГГ нанесена эпитакси-альная пленка ГГГ, то вместо "гребенки" имеет место широкая полоса с небольшой интенсивностью в диапазоне Х = 400-750 нм. В отличие от СИ излучение дейтериевой лампы не доходит до подложки, поскольку практически полностью поглощается пленкой ГГГ.
Полосы в "гребенке" (рис. 2) не могут быть связаны с ионами ТЬ3+, люминесцирующими при аналогичных условиях на других длинах волн [14-16], а также с ионами ВР+, поскольку практически такой же спектр люминесценции наблюдается для пленок ГГГ, выращенных из раствора-расплава PbO-B2O3
[18]. Хотя спектрально-люминесцентные свойства ионов Bi3+ и Pb2+ весьма похожи, спектры люминесценции (рис. 2) следует связать со структурными несовершенствами подложки ГГГ.
Из рис. 2 видно, что интенсивность люминесценции для образцов 1 и 2 (см. таблицу), имеющих близкие значения Н и различается практически на порядок. Основное отличие этих образцов состоит в разных температурах роста и концентраций вё2О3 в
растворе-расплаве и, следовательно, в разном содержании ионов висмута в пленке. Образец 1, в котором содержание ионов Bi3+ выше, сильнее поглощает СИ рентгеновского диапазона, поэтому интенсивность полос люминесценции в "гребенке" (рис. 2) для него ниже, чем для образца 2.
Спектры люминесценции эпитаксиальной пленки при селективном возбуж
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.