CC BY
52
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИИ ВЕСТНИК ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИИ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ январь-февраль 2016 Том 16 № 1 ISSN 2226-1494 http://ntv.i1mo.ru/
SCIENTIFIC AND TECHNICAL JOURNAL OF INFORMATION TECHNOLOGIES, MECHANICS AND OPTICS January-February 2016 Vol. 16 No 1 ISSN 2226-1494 http://ntv.ifmo.ru/en
УДК 666.266.6
ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ И ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ СВОЙСТВ КАЛИЕВО-АЛЮМОБОРАТНЫХ СТЕКОЛ, АКТИВИРОВАННЫХ ИОНАМИ
ХРОМА Cr3+
А.Д. Горбачевa, Н.В. Никонорова, С.А. Степанов3, Р.К. Нурыева, П.С. Ширшнева
a Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация Адрес для переписки: [email protected]
Информация о статье
Поступила в редакцию 06.11.15, принята к печати 12.12.15 doi:10.17586/2226-1494-2016-16-1-191-194 Язык статьи - русский
Ссылка для цитирования: Горбачев А.Д., Никоноров Н.В., Степанов С. А., Нурыев Р.К., Ширшнев П.С. Исследование оптических и люминесцентных свойств калиево-алюмоборатных стекол, активированных ионами хрома Cr3+ // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2016. Т. 16. № 1. С. 191-194.
Аннотация
Представлены результаты создания и исследования калиево-алюмоборатных стекол, активированных ионами хрома. Синтезировано стекло состава 25K20-25Al203-50B203, с добавкой Cr 0,2 весовых %. Показано изменение спектра поглощения и люминесценции после термообработки. Данные рентгеновской дифрактометрии показали, что в стекле выделяются нанокристаллы Al4B209. Средний размер нанокристаллов составил 15 нм. Спектры люминесценции показали, что ионы Cr3+ находятся в октаэдрическом окружении ионов алюминия, похожем на спектр кристалла рубина. Сделан вывод, что в изучаемом стекле, скорее всего, выделяются нанокристаллы Al4B209:Cr3+. Синтезированный материал может быть использован в качестве основы для волоконного усилителя в системах передачи информации, а также в качестве активных сред медицинских лазеров. Ключевые слова
стеклокерамика, калиево-алюмоборатные стекла, нанокристалл Благодарности
Работа выполнена при государственной финансовой поддержке Российского научного фонда (Соглашение № 14-2300136).
STUDY OF OPTICAL AND LUMINESCENT PROPERTIES OF POTASSIUM-ALUMINA-BORATE GLASS DOPED WITH Cr3+ IONS A.D. Gorbachev3, N.V. Nikonorov3, S.A. Stepanova, R.K. Nuryev3, P.S. Shirshneva
a ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation Corresponding author: [email protected]
Article info
Received 06.11.15, accepted 12.12.15 doi:10.17586/2226-1494-2016-16-1-191-194 Article in Russian
For citation: Gorbachev A.D., Nikonorov N.V., Stepanov S.A., Nuryev R.K., Shirshnev P.S. Study of optical and luminescent properties of potassium-alumina-borate glass doped with Cr3+ ions. Part I. Research of detonation engines. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2016, vol. 16, no. 1, pp. 191-194.
Abstract
Potassium-alumina-borate glass doped with chromium ions have been synthesized and investigated, and results are presented. We have synthesized glass of 25K20-25Al203-50B203 speciation with addition of 0.2 weight per cent of Cr. It was found out, that heat treatment induces changes in absorption and photoluminescence spectra. According to x-ray diffraction measurements, it has been shown that Al4B209 nanocrystalls have been obtained. The average diameter of nanocrystalls is 15 nm. Luminescence spectra have shown that Cr3+ ions are in an octahedral crystalline surrounding of the alumina ions similar to the spectrum of ruby crystal. A conclusion has been done that nanocrystalls of Al4B209: Cr3+ are obtained, most probably, in the researched glass. Synthesized material can be used as the base for fiber amplifier in data-transmission systems and as an active substance for medical lasers. Keywords
glass ceramics, potassium-alumina-borate glass, nanocrystall Acknowledgements
This work was financially supported by the Russian Scientific Foundation (Agreement # 14-23-00136).
ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ И ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ СВОЙСТВ ...
Одним из перспективных направлений оптического материаловедения является создание нано-стеклокерамик, т.е. таких материалов, где в объеме стекла распределено множество нанокристаллов. Такие материалы объединяют достоинства как кристаллов (высокий квантовый выход), так и стекол (простота производства, меньшие затраты на материалы и оборудование).
Лазеры, основанные на кристалле рубина, активно применяются в медицине. Но у кристаллов, по сравнению со стеклами, есть один большой недостаток - это сложность и дороговизна технологии. В связи с этим актуальной задачей является получение нанокристаллов, активированных ионами Cr3+ в стекле. Такие стекла являлись бы оптическим аналогом кристалла рубина.
В зависимости от своего окружения ионы переходных металлов могут находиться в различных валентных состояниях и обладают различными оптическими свойствами, в частности, люминесценцией в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах [1]. Стеклокерамики, активированные ионами хрома, обладают рядом достоинств: узкая полуширина спектрального максимума люминесценции при высоком квантовом выходе.
Существует единичное количество работ, посвященных разработке и созданию наностеклокри-сталлических материалов, в которых хром входит в кристаллическую фазу. Следует отметить, что интенсивность люминесценции в таких работах изучаемого материала крайне низка - возбуждение приходилось проводить с помощью параметрического лазера [1]. Исходя из этого, является интересным и перспективным синтезировать и изучить такие материалы с целью повышения интенсивности люминесценции. В частности, в настоящей работе возбуждение люминесценции осуществляется обычной ксеноновой лампой, встроенной в спектрофлюориметр.
В связи с этим целью работы является создание и исследование калиево-алюмоборатных стекол c нанокристаллами, допированными ионами хрома.
В калиево-алюмоборатную стеклообразную матрицу ранее вводились ионы железа [2]. Благодаря высокой ликвационной способности этих стекол в них возможно получение наночастиц в процессе термообработки. Так как трехвалентные ионы железа и хрома очень похожи по своим химическим свойствам и проявляют изоморфизм в различных кристаллах, было интересно изучить поведение хрома в стеклах этой системы [3].
Было синтезировано стекло состава 25К20-25А1203-50В203 с добавкой Cr 0,2 весовых %. Стекла синтезировались в корундовых тиглях при температуре 1430 °С с перемешиванием расплава в воздушной атмосфере платиново-родиевой мешалкой.
Спектр люминесценции регистрировался на люминесцентном спектрометре LS 55 Perkin Elmer (США). Возбуждение происходило излучением с длиной волны 532 нм, а регистрация от 550 нм до 900 нм.
Рентгенограммы были получены на рентгеновском дифрактометре Rigaku Ultima IV (Япония). Использовалось излучение медного анода с длиной волны излучения X(Cu) = 0,15418 нм.
Спектр люминесценции (рис. 1, а) стекла напоминает спектр люминесценции макрокристалла рубина и обладает похожими по конфигурации полосами (рис. 1, б).
1100
. 1000 Э 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
и н о
л" н о о
и «
S о
и
(D
53
600 650 700 750 800 Длина волны, нм
а
850
600 650 700 750 800 Длина волны, нм
б
850
Рис. 1. Спектры люминесценции: полученного стекла (а) и рубина (б)
Исходя из рентгенограммы (рис. 2), можно заключить, что в образце сформировалась нанофаза А14В209 которая представляет собой кристалл с орторомбической элементарной ячейкой. Размер частиц определялся по формуле Шеррера на основе положения и интенсивности на полуширине дифракционных максимумов, средний размер нанокристаллов составляет 15 нм. Проанализировав представленную совокупность данных, можно предположить, что в образце формируется нанофаза А14В209:Сг3+. Спектр
А.Д. Горбачев, Н.В. Никоноров, С.А. Степанов, РК. Нурыев, П.С. Ширшнев
люминесценции похож на спектр рубина, видимо, в силу наличия октаэдрического окружения, как и в кристаллическом рубине (рис. 3) [1].
В процессе работы показано, что активированные ионами хрома калиево-алюмоборатные стекла по своим люминесцентным свойствам похожи на кристаллы рубина. Это связано с тем, что в стеклах после термообработки выделяются нанокристаллы АЦБгО^Сг31". Интенсивность люминесценции достаточно высока уже для отдельных оптических приложений. Данный материал может быть использован в качестве основы для волоконного усилителя в системах передачи информации, а также в качестве активных сред медицинских лазеров.
8х104
6х104
4х104
2х104
Борат алюминия 20 Al4B2O9, (00-047-0319)
0) 1) 1)
2 0 3
(4 (4 3
,9 ,9
O (N 9 O O (N
B l4 A (N Bl4 Al Bl4 A
1 0 1
Win
l
O
<N
Bl4 Al
70
28, градусы Рис. 2. Рентгенограмма полученного стекла
80
к
<D
а
§
и g
15
<D
s я s -e -e
£
0,20 0,18 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0
300 350 400 '450 ' 500 ' 550 600 650 700 750 800 Длина волны, нм Рис. 3. Спектр поглощения полученной стеклокерамики
Литература
1. Степанов С.А., Никоноров Н.В., Асеев В.А., Запалова С.С. Спектрально-люминесцентные свойства трехвалентных ионов хрома в стеклах системы K2O-Al2O3-B2O3 // Физика и химия стекла. 2015. Т. 41. № 2. С. 205-213.
2. Скороспелова В.И., Степанов С.А. Поведение ионов железа в стеклах системы K2O-Al2O3-B2O3 // Неорганические материалы. 1974. Т. 10. С. 1864-1871.
3. Асеев В.А., Жуков С.Н., Кулешов Н.В., Курильчик С.В., Мудрый А.В., Никоноров Н.В., Рохмин А.С., Ясюкевич А.С. Спектрально-люминесцентные характеристики форстеритовой наностеклокерамики, активированной ионами хрома // Оптика и спектроскопия. 2015. Т. 118. № 1. С. 151-156.
ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ И ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ СВОЙСТВ
Горбачев Андрей Дмитриевич Никоноров Николай Валентинович
Степанов Сергей Алексеевич Нуриев Рустам Какабаевич Ширшнев Павел Сергеевич
Andrey D. Gorbachev Nikolai V. Nikonorov Sergey A. Stepanov Rustam K. Nuryev Pavel S. Shirshnev
студент, инженер, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация, [email protected] доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация, [email protected]
доктор химических наук, ведущий инженер, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация, [email protected] аспирант, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация, [email protected]
кандидат физико-математических наук, инженер первой категории, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация, [email protected]
student, engineer, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation, [email protected]
D.Sc., Professor, Head of Chair, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation, [email protected] D.Sc., 1eading engineer, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation, [email protected]
postgraduate, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation, [email protected]
PhD, first rank engineer, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation, [email protected]
