НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2008, том 44, № 1, с. 5-9
УДК 535.37
ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ СЛОИСТЫХ КРИСТАЛЛОВ GaS:Er3+
И GaS:Er3+, Yb3+
© 2008 г. А. Н. Георгобиани*, Б. Г. Тагиев**, О. Б. Тагиев**, С. А. Абушов**, Г. Ю. Эйшбов**
*Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, Москва **Институт физики Национальной академии наук Азербайджана, Баку e-mail: oktay@physics.ab.az Поступила в редакцию 23.05.2007 г.
В слоистых кристаллах GaS, активированных ионом Er3+ и парой ионов Er3+ и Yb3+, исследована фотолюминесценция при 300 K. При возбуждении ИК-излучением (Явозб = 976 нм) в GaS:Er3+ (0.1 ат. %) и GaS:Er3+, Yb3+ (0.1 ат. % каждый) наблюдается антистоксова люминесценция, а также увеличение интенсивности излучения, связанные с переходами 4/11/2 —»- 4I15/2 иона Er3+. Показано, что механизмом антистоксовой люминесценции является последовательное поглощение двух фотонов одним ионом Er3+, а увеличение интенсивности излучения Er3+ при введении в кристаллы GaS пары Er3+ и Yb3+ связано с передачей энергии от Yb3+ к Er3+.
ВВЕДЕНИЕ
Исследование влияния активирования редкоземельными ионами (РЗИ) на люминесцентные и фотоэлектрические свойства слоистых полупроводников АШВУ1 привлекает все большее внимание. В [1-6], в частности, изучено влияние отдельных РЗИ на электрические, фотоэлектрические и люминесцентные свойства кристаллов GaSe, GaS, и др. Однако в указанных широкозонных полупроводниках не рассмотрено взаимодействие между парами РЗИ и между РЗИ и матрицей. Поскольку в указанных кристаллах наблюдалась эффективная передача энергии от матрицы к РЗИ [1, 4], т.е. через полосы фундаментального поглощения и экситонные состояния, то возможно участие в таких процессах и пар РЗИ. Кроме того, активирование определенными парами РЗИ, такими как Ей и Ег, Ег и УЪ, УЪ и Ти и др., приводит к появлению в различных широкозонных кристаллах антистоксовой люминесценции.
Для монокристаллов GaS такие исследования, судя по существующим литературным данным, не проводились. Поэтому нами были изучены монокристаллы GaS, активированные парой РЗИ (Ег3+ и УЪ3+).
Цель настоящей работы - исследование фотолюминесценции (ФЛ) слоистых кристаллов GaS:Eг3+ и GaS:Eг3+, УЪ3+.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Соединения GaS:Eг3+ и GaS:Eг3+, УЪ3+ синтезировали из отдельных компонентов (Ga, S, Ег, УЪ),
взятых в стехиометрических соотношениях в гра-фитизированных кварцевых ампулах, откачанных до 1.3 х 10-2 Па, в однотемпературной печи при 1030°С. Монокристаллы, выращенные по видоизмененному методу Бриджмена [2], обладали проводимостью р-типа. Удельное электрическое сопротивление в зависимости от содержания примеси (0.01-0.5 ат. %) при 300 K составляло ~109-1011 Ом см.
Спектры ФЛ в интервале температур 77-300 K исследовали на установках СДЛ-1 и HR-460. Источниками возбуждения служили импульсный азотный лазер (Photonics LN-1000) и перестраиваемый титан-сапфировый лазер.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
При возбуждении импульсным азотным лазером (квозб = 337.1 нм) спектр ФЛ GaS:Eг3+ (0.1 ат. %) (рис. 1а) при 300 К состоит из интенсивного широкополосного (к = 480-600 нм) и слабого узкополосного участков (к = 650-900 нм). Широкополосное излучение имеет максимум при 511 нм, а узкополосный участок состоит из отдельных узких полос к = 650-700, 700-800, 800-900 нм.
При возбуждении кристаллов GaS, содержащих Ег3+ и УЪ3+, излучением импульсного азотного лазера (квозб = 337.1 нм, т ~ 10 нс) спектр ФЛ охватывает более широкую область длин волн (рис. 16). В отличие от спектра ФЛ GaS:Eг3+ в спектре GaS:Eг3+, УЪ3+ (по 0.1 ат. % каждый) интенсивность узких полос в области 650-900 нм растет, а в области 900-1100 нм появляется новое
I, отн. ед.
400 500 600 700 800 900 1000 50г
40-
30-
20-
10 -,
0
500 600 700 800 900 1000 1100
Х, нм
Рис. 1. Спектры ФЛ монокристаллов ва8:Ег3+ (0.1 ат. %) (а) и ва8:Ег3+, УЪ3+ (по 0.1 ат. % каждый) (б) при Хвозб = 337.1 нм и Т = 300 К.
I, отн. ед. 3000
I, отн. ед. 9
2000 -
1000 -
500
550
Х, нм
1400 1450 1500 1550 1600 1650
Х, нм
Рис. 2. Спектры антистоксовой (а) и стоксовой (б) люминесценции ва8:Ег3+ (0.1 ат. %) при мощности возбуждающего ИК-излучения 100 (1), 200 (2), 400 (3), 600 (4), 800 (5), 1000 мВт (6), Хвозб = 976 нм и Т = 300 К.
0
Рис. 3. Спектры антистоксовой (а) и стоксовой (б) люминесценции Оа8:Бг3+, УЬ3+ (по 0.1 ат. % каждый) при квозб = = 976 нм и Т = 300 К.
узкополосное излучение, состоящее из нескольких перекрывающихся интенсивных узких полос.
При возбуждении монокристалла ва8:Бг3+ (0.1 ат. %) при 300 К ИК-излучением перестраиваемого титан-сапфирового лазера (квозб = 976 нм) наблюдаются антистоксова и стоксова люминесценции (рис. 2а и 26). Антистоксова люминесценция охватывает спектральную область 475-575 нм и состоит из четырех узких полос. Первая узкая интенсивная полоса (к = 489 нм) перекрывается с менее интенсивной второй полосой (к = 495 нм), третья (к = 529 нм) и четвертая (к = 549.7 нм) полосы разделены, и каждая из них также состоит из двух полос. Стоксова люминесценция охватывает диапазон длин волн 1425-1625 нм.
При возбуждении кристаллов ва8:Бг3+, УЬ3+ ИК-излучением (квозб = 976 нм) наблюдается антистоксова люминесценция в области спектра 500-600 нм (рис. 3а) в виде двух узких пиков: при 527 и 549 нм, а в ближней ИК-области (1450-1650 нм) -узкополосная стоксова люминесценция (рис. 36). Интенсивность антистоксовой люминесценции заметно меньше интенсивности стоксовой люминесценции.
Для выяснения механизма антистоксовой люминесценции исследовали зависимости антистоксовой и стоксовой люминесценций от мощности возбуждающего ИК-излучения (квозб = 976 нм) в ва8:Бг3+ и ва8:Бг3+, УЬ3+ (рис. 4). Видно, что интенсивность антистоксовой люминесценции ва8:Бг3+ (кривая 1) при мощностях возбуждающего излучения 100-600 мВт почти линейно возрастает с мощностью, а дальнейший рост последней приводит к резкому увеличению интенсивности. Интенсивность излучения в области 1425-1625 нм линейно растет до мощности возбуждающего излучения W = 800 мВт, а дальнейшее увеличение W до
1000 мВт приводит к сверхлинейному росту интенсивности. В монокристаллах ва8:Бг3+, УЬ3+ интенсивность стоксовой люминесценции с ростом мощности возбуждающего ИК-излучения от 100 до 700 мВт линейно растет, а с дальнейшим увеличением W интенсивность незначительно уменьшается (кривая 3).
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Интенсивная широкополосная ФЛ ва8:Бг3+ при 300 К (рис. 1а) в области спектра 350-550 нм с максимумами при 432 и 511 нм связана с межзон-
W, мВт
Рис. 4. Зависимости интенсивности антистоксовой (1), стоксовой (2) люминесценции ва8:Бг3+ и интенсивности стоксовой люминесценции ва8:Бг3+, УЬ3+ (3) от мощности возбуждающего ИК-излучения.
976 нм
976 нм
4
- F7/2 '-4aH11/2
4S
3/2
'11/2 l13/2
'15/2
Рис. 5. Схема преобразования ИК-излучения GaS:Er3+ (квозб = 976 нм) в видимое (к = 550 нм).
2F
5/2
976 нм/V4»-
2F
7/2"
"V
4
F7/2
--4„2НП/2 S3/2
Yb
3 +
Er
3+
'11/2 l13/2
'15/2
Рис. 6. Схема передачи энергии от иона Yb3+ к иону Er3+ в GaS:Er3+, Yb3+ при квозб = 976 нм.
ными, экситонными переходами [7-13]. Узкополосное излучение в области 650-900 нм обуслов-
лено внутрицентровыми переходами
3/2
4I15/2 (640-700 нм),
4/15/2 (700-800 нм), 2ЯП/2 — 4/13,2 (800-4I13/2 (850-900 нм) иона Er3+. Уве-
4 4/Х5/2 (525-600 нм), ^9/2
4/9/2 _
850 нм), %/2
личение интенсивности излучения узких полос ФЛ в области длин волн 650-900 нм и появление новых интенсивных узких полос в области 9001050 нм в спектре излучения GaS:Eг3+ и УЪ3+ (рис. 16), по-видимому, связано с введением в эти кристаллы иона УЪ3+. Известно, что у ионов УЪ3+ и Ег3+ имеются резонансные возбужденные уровни 2^5/2 и 4/П/2 соответственно, и РЗИ в монокристаллах GaS возбуждаются через полосы фундаментального поглощения и экситонные состояния [4]. Поэтому возможна передача энергии от возбужденного уровня иона УЪ3+ к возбужденному уровню 4/П/2 иона Ег, т.е. ионы УЪ3+ играют роль сенсибилизатора люминесценции Ег3+.
При увеличении мощности возбуждающего ИК-излучения почти квадратичный рост интенсивности антистоксовой люминесценции GaS:Eг3+
показывает, что происходит последовательное поглощение двух фотонов одним ионом Ег3+ [14] (рис. 5).
При возбуждении кристаллов GaS:Eг3+, УЪ3+ (рис. 6) ИК-лазерным излучением (квозб = 976 нм) электрон переходит из основного уровня 2^7/2 на возбужденный уровень 2^5/2 иона УЪ3+ (переход 1), отстоящий на расстоянии ~10000 см-1, затем происходит перенос энергии от 2^5/2 к возбужденному уровню 4/П/2 иона Ег3+ (переход 2). Вследствие этого перехода, получив энергию, ион Ег3+ переходит на более высокий уровень 4^7/2 (переход 3), и после термической релаксации совершается переход 4^3/2 —- 4/15/2 (переход 4) с излучением в области 550 нм. Одновременно происходит термическая релаксация с уровня 4/П/2 на уровень 4/13/2 (переход 5), а затем переход 4/13/2 —- 4/15/2 (переход 6) с излучением в области 1550 нм.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Показано, что активирование слоистых кристаллов GaS РЗИ Er3+ и парой Er3+ и Yb3+ приводит к появлению в них антистоксовой люминесценции. Механизмом антистоксовой люминесценции в кристаллах GaS:Er3+ является последовательное поглощение двух ИК-квантов с длиной волны 976 нм, а в кристаллах GaS:Er3+, Yb3+ - последовательная сенсибилизация ионом Yb3+, т.е. ионы Yb3+ являются сенсибилизатором люминесценции иона Er3+.
Данная работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ-ГФЕН Китая (гранты 05-02-39013, 05-02-39010), Президиума РАН по программам "Квантовые наноструктуры" и "Квантовые вычисления", Отделения физических наук РАН по программам "Полупроводниковые лазеры" и "Новые материалы и структуры".
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Абдуллаев Г.Б., Абушов С.А., Брискина Ч.М. и др. Фото- и электролюминесценция неодима в монокристаллах GaSe // Квантовая электроника. 1984. Т. 11. № 3. С. 605-607.
2. Tagiev B.G., Niftier G.M., Abushov S.A. Intrashell Yb3+ Transition in Gallium Sulphide Crystals // Phys. Status Solidi B. 1983. V. 118. P. K13-K16.
3. Тагиев Б.Г., Абушов С.А., Нифтиев Г.М. Электролюминесценция монокристаллов GaS:Yb3+ // ФТП. 1984. Т. 18. С. 1904-1
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.