Люминофоры на основе боросиликатных стекол, легированных ионами TB 3+ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 535.343

ЛЮМИНОФОРЫ НА ОСНОВЕ БОРОСИЛИКАТНЫХ СТЕКОЛ, ЛЕГИРОВАННЫХ ИОНАМИ Tb3+

© Цыретарова Сэсэг Юрьевна, аспирант лаборатории оксидных систем Байкальского института природопользования СО РАН

Россия, 670047, г. Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6, e-mail: [email protected]

На основе боросиликатных стекол, легированных нонами Tb3+, получены люминофоры в зеленом спектральном диапазоне. Дана оценка возможностей их применения в качестве фотолюминофоров в видимом диапазоне, наиболее интенсивный переход 5D4^7F5 соответствует длине волны 548 нм, а также в качестве высокоинтенсивного излучателя зеленого света в проекционных телевизорах.

Ключевые слова: боросиликатные стекла, люминесценция тербия, люминафоры, рентгенофазовый анализ. PHOSPHORS BASED ON BOROSILICATE GLASSES DOPED WITH Tb3+

Tsyretarova Seseg Yu., postgraduate, Laboratory of Oxide Systems, Baikal Institute of Nature Management SB RAS

6, Sakhyanovoy, Ulan-Ude, 670047, Russia

Phosphors were obtained in the green spectral range on the basis of borosilicate glasses doped with Tb3+. The possibilities of their use as photoluminophors in the visible range were evaluated, the most intense transition 5D4^7F5 corresponds to a wavelength of 548 nm and also as high-intensity green light emitter in Projection TVsets. Keywords: borosilicate glass, luminescence of terbium, phosphors, X-ray phase analysis.

В последние годы возрос интерес к синтезу материалов, легированных тербием, с целью оценки возможностей их применения в качестве люминофоров в зеленом спектральном диапазоне. Трехвалентные ионы тербия обусловливают люминесценцию в видимом спектральном диапазоне благодаря оптическим переходам 5D4 ^7Fj (j = 2,3,4,5,6), наиболее интенсивный из которых 5D4^7F5 соответствует длине волны излучения 543 нм [1].

Наиболее подходящими матрицами для редкоземельных элементов (РЗЭ) являются стекла, содержащие оксиды тяжелых металлов, в частности Bi2O3. Стекла на основе оксида висмута обладают высокими значениями показателя преломления, нелинейными свойствами, широкой областью прозрачности в видимом и ИК-диапазонах, что делает их весьма перспективными для различных приложений нелинейной оптики [2]. Висмутовые стекла уже нашли применение в виде стеклокерамики или пленок для оптических и электронных приборов, в качестве температурных и механических сенсоров, а также отражающих окон [3, 4]. В свою очередь, боратные стекла характеризуются широкими областями стеклообразования, что позволяет варьировать состав и свойства полученного материала в широких пределах [5].

Экспериментальная часть

В работе исследовано два боросиликатных стекла. Первое стекло Ст-1 имело следующий состав (мае. %): 15 SiO2, 25 B2O3, 3 Al2O3, 2.5 La2O3, 2 Lu2O3, 5.5 ZnO, 47 Bi2O3, куда в качестве активатора вводили Tb2O3, концентрация которого составляла 1-6 мол. %. Второе стекло Ст-2 имело следующий состав (мае. %): 8 SiO2, 20 B2O3, 5 Lu2O3, 36 ZnO, 31 Bi2O3. Для получения различных концентраций активатора оксиды алюминия, лантана и лютеция эквимолярно заменялись на оксид тербия. Таким способом были получены образцы стекол с концентрациями 1-6 мол. % оксида редкоземельного элемента (Tb2O3).

В качестве исходных компонентов для синтеза стекол служили оксиды SiO2, B2O3, Al2O3, La2O3, Lu2O3, ZnO, Bi2O3, Tb2O3. Все оксиды имели квалификацию «х.ч», «ч.д.а», оксиды редкоземельных элементов - квалификацию «о.сч» с содержанием основного компонента не менее 99.99 %. Синтез стекол проводили в закрытых платиновых тиглях ступенчатым отжигом стехиометрических количеств соответствующих оксидов в интервале температур 550-650 °C, 700-850 °C в течение 80-100 ч с

С. Ю. Цыретарова. Люминофоры на основе боросиликатных стекол, легированных ионами Tb3+

многократной промежуточной гомогенизацией. Для обеспечения гомогенности расплав выдерживали при температуре 850 °C в течение 3 ч, после чего отливали в медную форму. Полученные образцы стекол дополнительно отжигали 40 ч при 300 °C для снятия напряжений.

Рентгенофазовый анализ стекол выполняли на дифрактометре D8 ADVANCE фирмы Bruker AXS с использованием CuKa излучения в области углов 29 = 10-70°.

Спектры люминесценции образцов получены на спектрофлуориметре СМ 2203 (Solar, Беларусь). Исследуемые порошкообразные образцы помещали между оптически прозрачными (кварцевыми) стеклами. Возбуждающий свет источника излучения (ксеноновая дуговая лампа высокого давления ДКсШ 150-1М) падал на образец перпендикулярно его поверхности, а стационарная фотолюминесценция (ФЛ) регистрировалась под углом 45 градусов, что уменьшало вклад отраженного света от источника излучения. Погрешность измерения ± 2 нм.

На рентгенограммах стекол Ст-1 и Ст-2 (рис. 1) наблюдается широкая диффузная полоса. Проведенный рентгенофазовый анализ образцов стекол подтверждает их аморфную структуру.

]

Mbnw»

20

30 ге.грэд

-10

50

Рис. 1. Рентгенограммы стекол Ст-1 (а); Ст-2 (б)

Исследование спектрально-люминесцентных свойств показало, что при возбуждении с ^=260 нм в спектре люминесценции ионов ТЬ3+ в Ст-1 (рис. 2) наблюдаем полосы, соответствующие оптическим переходам трехвалентных ионов тербия, при 490 нм (переход 5Б4^7Р6), 548 нм (переход 5Б4^7Р5), 588 нм (переход 5Б4^7Р4), 624 нм (переход 5Б4^7Р3), 650 нм (переход 5Б4^7Р2), 685 нм (переход 5Б4^-7Р1), 702 нм (переход 5Б4^7Р0). Наиболее интенсивная полоса люминесценции вызывается переходом 5Б4^7Р5 и расположена в зеленой области спектра, что обеспечивает основной вклад в яркую зеленую люминесценцию этого иона.

450 500 550 600 650 700

длина волны, | I -. 1

Рис. 2. Спектр люминесценции ионов Tb3+ в образце Ст-1, Хвозб = 260 нм

l9

Аналогичные спектральные закономерности проявляются и в люминесцентном отклике стекла Ст-2. На спектрах люминесценции наблюдаются переходы с нижнего возбужденного уровня 5D4 на уровни 7Fj.(j = 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0) иона Tb3+ (рис. 3).

Наблюдается также расщепление оптических термов трехвалентного тербия 5D4^7Fj (j = 6, 5, 4, 2) в стекле Ст-1, что связано с расщеплением возбужденного уровня матрицей стекла [6].

юо

до so 70 бО

e-t

50 40

зо 20 lO О

450 500 550 бОО 650 700

длина волны, ш

Рис. 3. Спектр люминесценции ионов Tb3+ в образце Ст-2, Хвозб = 260 нм

Выводы

1. Твердофазным методом были получены боросиликатные стекла, легированные ионами Tb3+

2. При возбуждении в области длины волны 260 нм синтезированные стекла характеризуются интенсивным зеленым свечением.

3. Полученные стекла могут найти применение в качестве люминофоров зеленого спектрального диапазона, в частности, для создания белых светодиодов, в качестве высокоинтенсивного излучателя зеленого света в проекционных телевизорах.

Литература

1. Фотолюминесценция ионов Tb3+ в ксерогелях алюмоиттриевых гранатов / Г. К. Маляревич [и др.] // Физика и техника полупроводников. - 2009. - Т. 43, вып. 2. - С. 170-173.

2. Цыретарова С. Ю., Кожевникова Н. М. Получение алюмоборосиликатного стекла, легированного Eu2O3, для создания красного люминофора // Экологобезопасные и ресурсосберегающие технологии и материалы: материалы II Все-рос. молодеж. конф. с междунар. участием. - Улан-Удэ, 2014. - С. 114-115.

3. Oprea I., Hesse H., Betler K. Optical properties of bismuth borate glasses // Opt. Mater. - 2004. - Vol. 26. - P. 235-237.

4. Laczka M., Stoch L., Gorecki J. Bismuth-containing glasses as materials for optoelectronics // J. Alloys Compd. - 1992. -Vol. 186. - P. 279-291.

5. Стеклообразование в системах CaO-Bi2O3-B2O3 и SrO-Bi2O3-B2O3 / А. В. Егорышева [и др.] // Журн. неорган. химии. - 2010. - Т. 55, № 11. - С. 1920-1927.

6. Blasse G., Bril A. Investigation of Tb3+ - activated phosphors // Ibid. - № 5. - P. 481-504.

References

1. Malyarevich G. K., Gaponenko N. V., Mudryi A. V. et al. Fotolyuminestsentsiya ionov Tb3+ v kserogelyakh alyumoittrievykh

granatov [Photoluminescence of Tb3+ ions in yttrium aluminum garnet xerogels]. Fizika i tekhnika poluprovodnikov -Semicon Technology. 2009. Bk. 43. V.2. Pp. 170-173.

2. Tsyretarova S.Yu., Kozhevnikova N.M. Poluchenie alyumoborosilikatnogo stekla, legirovannogo Eu2O3, dlya sozdaniya krasnogo lyuminofora [Obtaining of Eu2O3-doped aluminoborosilicate glass for red phosphor developement]. Ekologobezopasnye i resursosberegayushchie tekhnologii i materialy - Ecological and resource saving technologies and materials. Proc. 2nd All-Russ. youth conf. with int. participation. Ulan-Ude. 2014. Pp. 114-115.

3. Oprea I., Hesse H., Betler K. Optical properties of bismuth borate glasses. Opt. Mater. 2004. V. 26. Pp. 235-237.

4. Laczka M., Stoch L., Gorecki J. Bismuth-containing glasses as materials for optoelectronics. J. Alloys Compd. 1992. V.186.

Pp. 279-291.

5. Egorysheva A.V., Volodin V.D., Milenov T. et al. Stekloobrazovanie v sistemakh CaO-Bi2O3-B2O3 и SrO-Bi2O3-B2O3 [Glass

formation in the systems CaO-Bi2O3-B2O3 and SrO-Bi2O3-B2O3]. Zhurnal neorganicheskoi khimii - Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2010. V. 55. No. 11. Pp. 1920-1927.

6. Blasse G., Bril A. Investigation of Tb3+ - activated phosphors. Ibid. No. 5. Pp. 481-504.