НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2015, том 51, № 6, с. 583-587
УДК 535.361
ВТОРИЧНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В ГЛОБУЛЯРНЫХ ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛАХ НА ОСНОВЕ ОПАЛОВЫХ МАТРИЦ, ЗАПОЛНЕННЫХ ЕВРОПИЕМ
И ТЕРБИЕМ
© 2015 г. В. С. Горелик*, С. Н. Ивичева**, Л. С. Лепнев*, А. О. Литвинова*, В. Н. Моисеенко***
*Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, Москва e-mail: litvinovaanechka@yandex.ru **Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук, Москва ***Днепропетровский государственный национальный университет им. О. Гончара, Украина
Поступила в редакцию 27.11.2014 г.
Представлены результаты экспериментальных исследований спектров вторичного излучения глобулярных фотонных кристаллов, заполненных редкоземельными люминофорами. Зарегистрированы спектры фотолюминесценции от поверхности роста (111) глобулярного фотонного кристалла, созданного в виде опаловой матрицы, поры которой заполнены золями с наночастицами соединений редкоземельных элементов (европия Eu3+ и тербия Tb3+), количество которых не превышает 30 ppm. В качестве источников ультрафиолетового излучения использовали диоды с длинами волн излучения 366, 382 и 410 нм, а также четвертую гармонику (к = 266 нм) твердотельного лазера YAG:Nd3+. Сделан вывод о возможности понижения порога лазерной генерации для переходов в ионах редкоземельных элементов. Установлено, что при освещении образцов узкополосными источниками излучения наблюдается конверсия электромагнитного излучения в области стоп-зоны фотонного кристалла. Сообщается о перспективности использования глобулярных фотонных кристаллов, заполненных ионами редких земель, для повышения эффективности солнечных элементов.
DOI: 10.7868/S0002337X15060068
ВВЕДЕНИЕ
Оптические среды, диэлектрическая проницаемость которых периодически изменяется с периодом, сравнимым с длиной волны электромагнитного излучения видимого диапазона, в настоящее время классифицируются как фотонные кристаллы (ФК) [1—4]. ФК активно исследуются и находят применение в различных областях, они подразделяются на одно-, дву- и трехмерные [5—7]. К трехмерным, в частности, относятся глобулярные фотонные кристаллы (ГФК). Одним из примеров ГФК являются искусственные опаловые матрицы, сформированные из глобул (шаров) кремнезема (а-8Ю2) с диаметром 200—800 нм [8—12]. Такие ФК построены в виде кубической гранецентри-рованной кристаллической решетки. Пустоты (поры) между глобулами в таких ФК имеют размер от 50 до 150 нм. Они представляют собой ок-таэдрические или тетраэдрические полости [13]. Присутствие пор позволяет вводить в образец ГФК различные включения, тем самым воздействуя на оптические свойства ГФК. Характерным свойством ФК является формирование соответствующих разрешенных и запрещенных зон для фотонов. Особый интерес к подобным видам структур обусловлен присутствием таких зон, называемых также стоп-зонами.
При заполнении пор ГФК соединениями редкоземельных элементов (РЗЭ) образуются материалы, обладающие люминесцентными свойствами [14]. РЗЭ активно применяются для создания новых осветительных приборов, дисплеев, оптических волокон, усилителей и лазеров. В частности, оксиды трехвалентного европия (Eu3+) и тербия (Tb3+) являются известными и широко используемыми люминофорами. На их основе создаются современные люминесцентные комплексы. Ранее проведены исследования [15—18] спектров фотолюминесценции соединений на основе РЗЭ. В этих работах сообщалось о перспективности введения европия (Eu3+) и тербия (Tb3+) в стекла и поры ГФК. Люминофоры, созданные на основе ГФК, легированных РЗЭ, характеризуются высокой устойчивостью и стабильностью излучатель-ных характеристик по сравнению с органическими люминофорами [19, 20].
Ранее [21] показано, что при облучении исходных (заполненных воздухом) ГФК квазимонохроматическим ультрафиолетовым излучением лазеров или светодиодов наблюдается "down"-конверсия, в результате которой возникает вторичное излучение вблизи стоп-зон ФК.
Цель работы — исследование вторичного излучения и процессов "down"-конверсии в глобу-
584
ГОРЕЛИК и др.
1a 1b 1c
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 — источник излучения (галогенная лампа или диоды с различными длинами волн излучения: 1a — 366, 1b — 382, 1c — 410; 1d — лазер с длиной волны 266 нм); 2 — оптоволоконный соединительный кабель; 3 — кювета для исследуемого образца; 4 — образец ГФК; 5 — оптоволоконный соединительный кабель; 6 — миниспектро-метр; 7 — соединительный USB кабель; 8 — персональный компьютер.
лярных фотонных кристаллах, поры которых заполнены материалами, легированными ионами европия (Еи3+) и тербия (ТЬ3+), при ультрафиолетовом возбуждении лазерным источником и све-тодиодами.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
На рис. 1 представлена используемая в работе экспериментальная установка. В качестве источников возбуждающего излучения применяли светоди-оды с длинами волн 366, 382 и 410 нм [22—25], а также твердотельный лазер УАО:Мё3+ с длиной волны генерации X = 266 нм (1аГ).
Средняя мощность источников возбуждающего излучения составляла 10—20 мВт. Возбуждающее излучение с помощью световода заводили в кювету, оно попадало на поверхность роста (111) ФК. Отраженное от поверхности ФК излучение попадало в следующий оптоволоконный соединительный кабель и поступало на входную щель миниспектрометра FSD-8. Расходимость падающего и анализируемого излучений определяли апертурой световода, она не превышала 1°. Разрешение миниспектрометра составляло 2—3 нм при временных экспозициях 100—500 мс. Через соединительный ^В-кабель электронный сигнал поступал в компьютер, с помощью которого проводили анализ зарегистрированных в цифровом виде спектров.
Образцы ГФК представляли собой тонкие прямоугольные пластинки 10 х 20 х 2 мм, состоящие из плотно упакованных сфер кремнезема. Для
исследования люминесценции использовали образцы с диаметрами глобул 260 и 275 нм, заполненные мезопористым кремнеземом с Еи203 и ТЬ203.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 2 приведены нормированные спектры фотолюминесценции (ФЛ) (кривые 3), полученные при отражении от поверхности роста (111) образца, содержащего Еи203. Пунктиром приведены нормированные спектры отражения (Хтах = = 598 нм) широкополосного излучения галогенной лампы (кривые 1), задающие спектральное положение стоп-зоны исходных фотонных кристаллов с диаметром глобул 275 нм. Кривые 2 на этом рисунке характеризуют возбуждающее излучение.
На рис. 2а (кривая 3) приведен спектр ФЛ, регистрируемой от поверхности (111) ГФК при возбуждении твердотельным лазером УАО:Мё3+ (длина волны излучения X = 266 нм (2)). Линии в диапазоне 508—699 нм обусловлены электронными переходами Еи3+. В частности, полоса 699 нм соответствует линии перехода европия с уровня 5Б0 на уровень где] = 4, полоса 616 нм — 5^0—7^2; полоса 591 нм — 5_00—7.?т1; полоса 580 нм — 5В0—7¥0; полоса 547 нм — 5^1—7^2; полоса 536 нм — ъВ0—¥1; полоса 525 нм — 5В0—7¥0; полоса 508 нм — 5^1—7^0; полоса 476 нм — 5^1—7^0.
На рис. 2б (кривая 1) приведен нормированный спектр отражения галогенной лампы, характеризующий положение стоп-зоны и спектр ФЛ (кривая 3) образца ГФК при возбуждении светодиодом с длиной волны X = 366 нм, спектр которого иллюстрируется кривой 2. Полоса 616 нм соответствует линии перехода Еи3+ с уровня 5Б0 на уровень 7^2; полоса 590 нм — 5_00—7.?т1; полоса 580 нм — 5В0—7¥0; полоса 550 нм — 5^1—7^2; полоса 539 нм — 5В0—¥1; полоса 508 нм — 5^1—7^0; полоса 476 нм — 5В1—¥0; полоса 443 нм — 5В3—¥0).
На рис. 2в (кривая 2) соответствует спектру источника излучения — диода, с длиной волны X = = 410 нм. Кривая 3 иллюстрирует спектр ФЛ ГФК. Полосы 508, 550 и 618 нм относятся к переходам с
Следует отметить, что в спектрах поглощения исследуемых образцов с редкими землями присутствует интенсивная полоса вблизи 266 нм, а излучение с длинами волн 366 и 410 нм попадает в область прозрачности. Наблюдаемое увеличение спектральной интенсивности ФЛ для полос 590 и 699 нм можно объяснить увеличением плотности фотонных состояний вблизи краев соответствующей стоп-зоны ГФК.
На рис. 3 приведены спектры отражения (кривая 1), полученные для незаполненного ГФК с
ВТОРИЧНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В ГЛОБУЛЯРНЫХ ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛАХ
585
I, отн. ед. 1.0
0.8 0.6 0.4 0.2
(а)
598
591,
618 I
0 200
300
400 500 (б)
600 700 X, нм
476 598 616 508 ^
0 200
300 400 500
(в)
410
I
508
600 700 X, нм
598
I
0 200
300 400 500
600 700 X, нм
I, отн. ед 1.0
(а)
546 583
200 300 400 500
600 700 X, нм
I, отн. ед.
1.0 " 2.
0.8
0.6 -
0.4 -
0.2 0 -
366 1
(б)
546
200 300 400 500
600 700 X, нм
(в)
I, отн. ед. 387
I
547
0 300
375 450 525
600 675 X, нм
Рис. 2. Спектры отражения и люминесценции от поверхности роста (111) пустого и заполненного соединениями с Ей ГФК; диаметр глобул исследуемых образцов 275 нм; 1 — спектры отражения от поверхности пустого ГФК с диаметром глобул 275 нм, зарегистрированные при помощи галогенной лампы; 2 — спектры люминесценции от поверхности ГФК, поры которого заполнены ионами европия (III), возбужденной лазером с длиной волны генерации 266 нм (а) и диодами 366 (б) и 410 нм (в); 3 — спектры отраженного возбуждающего света.
Рис. 3. Спектры отражения и люминесценции от поверхности роста (111) ГФК, заполненного соединениями, легированными тербием; температура измерений 293 К; диаметр глобул исследуемых образцов 260 нм: а — спектр вторичного излучения от опала, заполненного соединениями с ТЬ, полученный с источником излучения твердотельным лазером 266 нм; б — спектр излучения диода 366 нм (1) и спектр отражения от поверхности ГФК, заполненного соединениями с ТЬ (2); в — спектр излучения диода 382 нм (1) и спектр отражения от поверхности ГФК, заполненного соединениями с ТЬ (2).
586
ГОРЕЛИК и др.
диаметром глобул 265 нм, а также соответствующие спектры ФЛ для образца, заполненного соединениями, содержащими ТЬ3+. Спектральное положение стоп-зоны для незаполненного образца соответствует 584 нм. При этом возбуждение ФЛ осуществлялось диодами с длинами 366 и 382 нм, а также лазером с длиной волны генерации излучения 266 нм (рис. 3, кривые 2).
Рис. 3а и
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.