CC BY
23
УДК 666.11.01.113.2:543.421/.424
Серкина К.С., Жабенец А.И., Степанова И.В., Петрова О.Б. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ СТЕКОЛ В СИСТЕМЕ Bi2O3-Bi-GeO2
Серкина Ксения Сергеевна, студентка 4 курса бакалавриата факультета технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов;
Жабенец Алина Игоревна, студентка 4 курса бакалавриата факультета технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов;
Степанова Ирина Владимировна, ассистент кафедры химии и технологии кристаллов, e-mail: [email protected];
Петрова Ольга Борисовна, к.х.н., доцент кафедры химии и технологии кристаллов Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Висмутсодержащие стекла привлекают внимание благодаря широкополосной люминесценции в ИК-области. Источник люминесценции - висмутовые активные центры - чувствительны к составу стекла и условиям синтеза. В работе проанализировано влияние добавки металлического висмута на свойства висмутгерманатных стекол.
Ключевые слова: оксид висмута, оксид германия, металлический висмут, висмутовые центры
STUDY OF GLASS PROPERTIES IN THE Bi2O3-Bi-GeO2 SYSTEM
Serkina K.S., Zhabenets A.I., Stepanova I.V., Petrova O.B.
D.Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Bismuth-containing glasses are getting attention due to the broadband luminescence in the infrared region. The source of luminescence — bismuth active centers — are sensitive to the glass composition and synthesis conditions. The effect of the addition of metallic bismuth on the properties of bismuth-germanate glasses is analyzed in the paper.
Keywords: bismuth oxide, germanium oxide, metallic bismuth, bismuth centers
Стекла, легированные висмутом, являются 0.1 Bi2]-#5GeO2 обозначали как 15-0,1-85. Стекла
перспективной активной средой, для которой получали плавлением смеси предварительно
получено оптическое усиление и лазерная генерация измельченных и спеченных исходных оксидов при
в широком диапазоне длин волн инфракрасного температуре 1100 С на воздухе и последующим
(ИК) диапазона [1]. Источником люминесценции в отливом на подложку. Готовые стекла отжигали при
таких стеклах служат висмутовые активные центры температурах 350-370 °С для уменьшения
(ВАЦ), обладающие сложной комплексной термических напряжений. Образцы для
структурой, в основе которой лежат ионы висмута в спектральных исследований готовили в виде
низких степенях окисления [2, 3]. На формирование плоскопараллельных пластин толщиной 1-2 мм.
ВАЦ оказывает влияние состав стекол (количество Спектры поглощения стекол снимали на
оксида висмута, добавки ионов-окислителей) [4-7], спектрофотометре UNICO 2800 (UV/VIS) в
условия синтеза стекол (температура, диапазоне длин волн 190-1100 нм. продолжительность синтеза, парциальное давление Стекла серии x-0-(100-x) обладают характерным
кислорода, материал тигля) [8-10], условия для ВАЦ поглощением в области 500 нм,
последующей термической обработки [11]. Целью интенсивность которого возрастает с увеличением
данной работы был синтез стекол с различным содержания Bi2O3 (рис.1). Небольшое снижение
соотношением оксидов висмута и германия с поглощения в этой области для стекла 50-0-50
добавлением металлического висмута и вероятно связано с невысоким качеством стекла из-
исследование влияния состава стекла на за малого содержания стеклообразователя. Край
спектральные характеристики стекол. коротковолнового поглощения смещается в сторону
Для синтеза были выбраны составы x[(1-y)Bi2O3- длинных волн, что так же характерно для роста
yBi2]-(100-x)GeO2 с общим содержанием оксида концентрации Bi2O3 [5].
висмута x= 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50 мол.% Добавление металлического Bi в состав стекол
(матричные составы), у = 0; 0,1; 0,2. Для удобства сохраняет как поглощение в области 500 нм, так и
описания результатов стекла обозначены в статье тенденцию к росту интенсивности при увеличении
как x-y-(100-x), например, стекло 15[0.9Bi2O3- доли Bi2O3 в составе стекла (рис.2). При этом
поглощение стекол составов 45-0,1-55 и 50-0,1-50 на Х=500 нм снижено относительно других составов серии, что так же объясняется оптической неоднородностью стекол этих составов. Общее снижение пропускания может говорить об образовании в стеклах рассеивающих центров Ы0 [8]. Также следует отметить некоторое изменение контура спектра в области 500 нм для стекол с высоким содержанием оксида висмута: плечо поглощения становится менее выраженным, несмотря на общий рост поглощения.
Рис.1. Спектры поглощения стёкол состава Б12О3-2Б1-СеО2: 1 - 5-0-95; 2 - 10-0-90; 3 - 15-0-85; 4 -20-0-80; 5 - 250-75; 6 - 30-0-70; 7 - 35-0-65; 8 - 40-0-60; 9 - 45-0-55; 10 -50-0-50.
а, Ом
Рис.2. Спектры поглощения стёкол состава Б12О3-2Б1-СеО2: 1 - 5-0,1-95; 2 - 10-0,1-90; 3 - 15-0,1-85; 4 -20-0,1-80;
5 - 25-0,1-75; 6 - 30-0,1-70; 7 - 35-0,1-65; 8 - 40-0,1-60; 9 -45-0,1-55; 10 - 50-0,1-50.
Увеличение концентрации металлического Ы не вносит существенных изменений в спектры поглощения стекол (рис.3). Все отмеченные для первых двух серий особенности спектров сохраняются.
и, см 1
1 н—,—|—I—|—I—|—.—,—,—|—.—|—.—,—,—-
300 400 500 600 700 800 900 1000 Л, нм
Рис.3. Спектры поглощения стёкол состава Б12О3-2Б1-СеО2: 1 - 5-0,2-95; 2 - 10-0,2-90; 3 - 15-0,2-85; 4 -20-0,2-80;
5 - 25-0,2-75; 6 - 30-0,2-70; 7 - 35-0,2-65; 8 - 40-0,2-60; 9 -45-0,2-55; 10 - 50-0,2-50.
На рисунке 4 приведено сравнение спектров поглощения для одинаковых матричных составов стекол разных серий. Для малых концентраций оксида висмута (10 мол.%) добавление металлического висмута повышает поглощение в области 500 нм, для концентрации 25 мол.% В1203 -снижает, в случае стекол с 40 мол.% В1203 влияние металлического висмута проявляется, прежде всего, в снижении пропускания во всей исследуемой области спектра. Известно, что частицы В10 в стеклах склонны к образованию кластеров [12], что способствует усилению рассеяния.
а, См'
Рис.4. Спектры поглощения стекол матричных составов 10-90, 25-75, 35-65: 1 - 10-0-90; 2 - 10-0,1-90; 3 - 10-0,2-90; 4 - 25-0-75; 5 - 25-0,1-75; 6 - 25-0,2-75; 7 - 35-0-65; 8 - 35-0,165; 9 - 35-0,2-65.
Интересно отметить, что для стекол с одинаковым матричным составом край коротковолнового поглощения не смещается при добавлении металлического висмута. Это говорит о том, что металлический висмут в указанных количествах воздействует в матрице только на концентрацию ВАЦ и не создает дополнительных
энергетических уровней дефектов в запрещенной зоне стекла. Таким образом, добавка металлического висмута позволяет регулировать количество висмутовых активных центров, что важно для создания материалов с управляемыми спектральными характеристиками.
Список литературы
1. On the analogy between photoluminescence and carrier-type reversal in Bi- and Pb-doped glasses / Hughes M.A. et al. // OSA. Optics Express. - 2013. - V. 21, № 7. - P. 8101-8115.
2. Дианов Е. М. О природе Bi-центров в стекле, излучающих в ближней ИК-области спектра // Квантовая электроника. - 2010. - Т. 40. - № 4. - С. 283-285.
3. Sokolov V. O., Plotnichenko V. G., Dianov E. M. The origin of near-IR luminescence in bismuth-doped silica and germania glasses free of other dopants: First-principle study // Optical Materials Express. - 2014. -V. 5. - № 1. - P. 163-168.
4. Люминесцентные центры в силикатном и германатном стеклах, активированных висмутом / Вебер А. А. и др. // Краткие сообщения по физике ФИАН. - 2012. - № 11. - С. 3-12.
5. Влияние концентрации оксида висмута и условий синтеза на оптические свойства висмутгерманатных стекол / Кривобородова С. Ю. и
др. // Успехи в химии и химической технологии. -2018. - Т. XXXII. - № 3. - С. 36-37.
6. Hughes M. A., Suzuki T., Ohishi Y. Compositional dependence of the optical properties of bismuth doped lead-aluminum-germanate glass // Opt. Mater. - 2010. - V. 32(9). - P. 1028-1034.
7. Luminescence from bismuth-germanate glasses and its manipulation through oxidants / Winterstein A. et al. // Optical Materials Express. - 2012. - V. 2. - № 10. - P. 1320-1328.
8. Influence of the melting conditions of heavy metal oxide glasses containing bismuth oxide on their optical absorption / Sanz O. et al. // J. Non-Cryst. Solids. - 2006. - V. 352. - P. 761-768.
9. Characteristics of PbO-BiO15-GaO15 glasses melted in SnO2 crucibles / Cerri J. A. et al. // J. Am. Ceram. Soc. - 1998. - V. 81. - P. 705-708.
10. Ceramic crucibles: a new alternative for melting of PbO-BiO1.5-GaO1.5 glasses / Garcia I. M. et al. // J. Non-Cryst. Solids. - 2003. - V. 319. - P. 304-310.
11. Влияние термической обработки на свойства стекол в системе Bi2O3-GeO2 / Колобкова Е.М. и др. // Успехи в химии и хим. технологии. — 2017. — Т. 31. — № 6 (187). — С. 113-114.
12. Superbroadband 1310 nm emission from bismuth and tantalum codoped germanium oxide glasses / Peng X. et al. // Opt. Lett. - 2005. - V. 30. - P. 24332435.
