CC BY
24
http://dx.doi.org/10.35596/1729-7648-2019-125-7-95-100
Оригинальная статья Original paper
УДК 535.37+535.39
ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МНОГОСЛОЙНЫХ ПЕРИОДИЧЕСКИХ
СТРУКТУР BaTiO3: Eu/SiO2
ПАРАФИНЮК ДА.1, ГАПОНЕНКО Н.В.1, РАЙЧЕНОК ТФ.2
1 Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, г. Минск, Республика Беларусь 2Институт физики им. Б.И. Степанова Национальной академии наук Республики Беларусь,
г. Минск, Республика Беларусь
Поступила в редакцию 18 ноября 2019
© Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, 2019
Аннотация. В работе представлены результаты исследования оптических свойств многослойных структур (брэгговских отражателей). Представлены спектры пропускания, отражения, люминесценции, возбуждения и кинетики люминесценции для брэгговских отражателей, сформированных на кварце с 6 и 12 чередующимися слоями BaTiO3:Eu/SiO2. Структуры демонстрируют фотонную запрещенную зону и ее смещение в длинноволновую область при увеличении числа пар слоев. В структурах наблюдается люминесценция европия с наиболее интенсивной полосой 615 нм. Обнаружено снижение интенсивности люминесценции европия при увеличении числа пар слоев в структуре.
Ключевые слова: интерференционные фильтры, брэгговские отражатели, люминесценция, европий, золь-гель.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Благодарности. Авторы выражают благодарность Д.В. Жигулину (филиал «Научно-технический центр «Белмикросистемы» ОАО «ИНТЕГРАЛ», управляющая компания холдинга «ИНТЕГРАЛ») за анализ образцов методами электронной микроскопии. Работа выполнена при поддержке гранта Государственного комитета по науке и технологиям Республики Беларусь Т19МЛДГ-005.
Для цитирования. Парафинюк Д.А., Гапоненко Н.В., Райченок Т.Ф. Оптические свойства многослойных периодических структур BaTiO3:Eu/SiO2. Доклады БГУИР. 2019; 7(125): 95-100.
THE OPTICAL PROPERTIES OF MULTILAYER PERIODIC STRUCTURES BaTiO3:Eu/SiO2
DARIA A. PARAFINYUK1, NIKOLAY V. GAPONENKO1, TAMARA. F. RAICHENOK2
1 Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics, Minsk, Republic of Belarus 2B.I.Stepanov Institute of Physics of National Academy of Science of Belarus Minsk, Republic of Belarus
Submitted 18 November 2019
© Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics, 2019
Abstract. This paper presents the study of the optical properties of multilayer periodic structures, such as Bragg reflector, with different synthesis conditions. Transmission, reflection, luminescence, luminescence excitation
spectra and kinetics of luminescence are presented for the Bragg reflectors formed on quartz with 6 and 12 alternating layers BaTiO3:Eu/SiO2. The structures demonstrate photonic band gap and its long wavelength shift with increasing number of layers. Europium luminescence with the most intensive band at 615 nm is observed from the structures. A decrease in the luminescence intensity with increasing the number of pairs of the layers in the structure is observed.
Keywords: interference filters, Bragg reflectors, luminescence, europium, sol-gel. Conflict of interests. The authors declare no conflict of interests.
Gratitude. The authors are grateful to Zhigulin D.V (Belmicrosystems Scientific and Technical Center affiliate of INTEGRAL OJSC, management company of the INTEGRAL Holding) for the analysis of samples by electron microscopy. This work was supported by a grant from the State Committee for Science and Technology of the Republic of Belarus T19MLDG-005.
For citation. Parafinyuk D.A., Gaponenko T.V., Raichenok T.F. The optical properties of multilayer periodic structures BaTiO3:Eu/SiO2. Doklady BGUIR. 2019; 7(125): 95-100.
Введение
Фотонные кристаллы - структуры с периодическим изменением показателя преломления с периодом порядка длины волны электромагнитного излучения в оптическом диапазоне. Фотонные кристаллы обладают фотонной запрещенной зоной (полосой непрозрачности). Одномерные фотонные кристаллы - многослойные периодические пленочные структуры - нашли широкое применение в лазерной технике и оптическом приборостроении в качестве лазерных зеркал, просветляющих покрытий и др. Интенсивно исследуется люминесценция лантаноидов в одномерных фотонных кристаллах и микрорезонаторах, так как в таких структурах с модификацией плотности мод излучения наблюдается сужение полосы люминесценции, увеличение интенсивности люминесценции в узком телесном угле и изменение времени жизни [1-10]. Недавно было показано, что одномерные фотонные кристаллы могут быть получены золь-гель синтезом пленок BaTiO3/SiO2 [8-10]. В данной работе продолжено исследование пропускания и отражения многослойных пленочных структур BaTiO3/SiO2 и люминесценции европия в них в зависимости от условий синтеза.
Методика проведения эксперимента
На подложках кварцевого стекла были синтезированы образцы чередующихся слоев BaTiO3:Eu/SiO2, содержащие 6 или 12 слоев, то есть 3 или 6 пар слоев ксерогелей титаната бария и оксида кремния. Для формирования многослойной структуры были приготовлены золи титаната бария и оксида кремния. Исходными компонентами золя титаната бария BaTiO3 являлись ацетат бария Ba(CH3COO)2-1/2H2O и тетраизопроксититан Ti(OC3H7)4. Для формирования ксерогеля оксида кремния использовался золь на основе тетраэтоксисилана. В золь титаната бария был добавлен европий с концентрацией 0,1 моль/л.
Пленки титаната бария наносились на подложку методом центрифугирования со скоростью 1500 оборотов/мин в течение 30 с, а диоксида кремния - со скоростью 2700 об./мин. Слои наносились поочередно. Каждый слой подвергался сушке при температуре 200 °С в течение 10 мин, затем термообработке в муфельной печи c температурой 450 °C в течение 30 мин. На рис. 1 приведена схема сформированного 6-слойного образца.
Спектры пропускания измеряли на спектрофотометре Cary-500 Scan UV-VIS-NIR (Varian, США и Австралия). Спектры отражения измеряли на спектрофотометре MS122 (PROSCAN Special Instruments, Беларусь). Кинетику затухания люминесценции измеряли с помощью спектрофлуориметра Fluorolog-3 (Horiba Scientific), снабженного ксеноновой лампой с длительностью импульса 1-3 мкс. Спектры фотолюминесценции (ФЛ) и возбуждения ФЛ регистрировали с использованием спектрофлуориметра SOLAR CM2203, снабженного
ксеноновой лампой высокого давления 150 Вт, при одинаковом фиксированном угле падения и регистрации 30
ватю,
3:eu
■4-
кварц
sío2
Рис. 1. Схема многослойной структуры BaTiO3:Eu/SiO2 (6 слоев) Fig. 1. The sheme of multilayer structure BaTiO3:Eu/SiO2 (6 layers)
Результаты и их обсуждение
Изображение образца, содержащего 6 слоев, полученное методом сканирующей электронной микроскопии СЭМ, приведено на рис. 2.
Рис. 2. CЭМ изображение образца BaTiO3: Eu /SiO2 (6 слоев) Fig. 2. The SEM image of BaTiO3:Eu /SiO2 (6 layers)
На рис. 3 представлены оптические спектры пропускания и отражения многослойных структур BaTiO3:Eu/SiO2. Структуры демонстрируют полосу непрозрачности (фотонную запрещенную зону), обусловленную, как известно, интерференцией света на периодической структуре.
Длина волны X, нм
п
О >
с
о о.
100 9o 80 -70 60 -50 -40 30 -I 20 10 -I 0
■ 6 слоев
■ 1 2 слоев 6 слоев
1 2 слоев
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Длина волны X, нм
Рис. 3. Спектры пропускания и отражения многослойных структур BaTiO3:Eu/SiO2 (6 и 12 слоев) Fig. 3. The transmission and reflection spectra of multilayer structures BaTiO3:Eu/SiO2 (6 and 12 layers)
Как видно из рис. 2, для образца, имеющего 6 слоев, экстремумы полосы непрозрачности лежат в области 600 нм, минимальное пропускание составляет 56 %, а максимум отражения - 38 %. При двухкратном увеличении числа пар слоев (для образца с 12 слоями) минимум пропускания смещается в длинноволновую область на 710 нм и составляет 42 %, совпадая с максимумом отражения.
Таким образом, многослойная структура ВаТЮ3:Еи^Ю2 формирует область непрозрачности (фотонную запрещенную зону) в видимом диапазоне, что обусловлено интерференцией света, а при увлечении количества слоев в структуре полоса непрозрачности смещается в длинноволновую область.
В данных структурах наблюдается люминесценция европия при комнатной температуре. На рис. 4, а и 4, Ь представлены спектры люминесценции и спектры возбуждения люминесценции сформированных многослойных структур, состоящих из 6 и 12 слоев. Длина волны возбуждения, соответствующая наиболее интенсивной люминесценции европия, составляет 260 нм - рис. 4, а. Наиболее интенсивной является полоса люминесценции 615 нм, что соответствует ^ переходу трехвалентного европия. Оказалось, что для
шестислойной структуры интенсивность люминесценции в 1,5 раза выше, чем для 12-слойной. Возможно, ослабление люминесценции при увеличении числа пар слоев обусловлено перераспределением плотности мод излучения [3], что для данной структуры приводит к увеличению интенсивности люминесценции в направлении вдоль плоскости подложки (волноводный эффект), однако интерпретация этого результата требует дополнительных исследований угловых зависимостей люминесценции.
На рис. 5 представлена кинетика затухания люминесценции европия в образце ВаТЮ3:Еи^Ю2 (6 слоев), длина волны возбуждения люминесценции 264 нм, а длина волны регистрации 615 нм. Кинетика затухания двухэкспоненциальная с соответствующим процентным вкладом каждого свечения. Время жизни люминесценции европия в образце составляет: ц = 4,33 10-4 с (16 %); Т2 = 9,13 10-4 с (84 %).
Рис. 4. Спектры возбуждения люминесценции (а) и люминесценции^) BaTiO3:Eu/SiO2 6 слоев и 12 слоев (длина волны излучения Хизл = 615 нм, длина волны возбуждения Хвозб = 260 нм) Fig. 4. The luminescence excitation spectrum (a) and luminescence spectrum (b) BaTiO3:Eu/SiO2 6 and 12 layers (emission wavelength Xem = 615 нм, excitation wavelength Xex = 260 нм)
Рис. 5. Кинетика затухания люминесценции образца BaTiO3:Eu /SiO2 (6 слоев), длина волны излучения 615 нм Fig. 5. Luminescence decay curve of BaTiO3:Eu /SiO2 (6 layers), radiation wavelength of 615 nm
Заключение
В работе представлены результаты оптических и морфологических исследований многослойных структур, сформированных из двух поочередно наносимых золей BaTiO3 с ионами Eu и SiO2., отличающихся количеством слоев (6 и 12 слоев).
Синтезированные золь-гель методом многослойные структуры, состоящие из набора чередующихся слоев BaTiO3:Eu/SiO2, демонстрируют фотонную запрещенную зону (полосу непрозрачности) в видимом диапазоне, которая смещается в длинноволновую область с увеличением числа пар слоев от трех до шести. Наряду с фильтрацией излучения структуры демонстрируют люминесценцию европия при комнатной температуре с наиболее интенсивной полосой 615 нм. Уменьшение интенсивности люминесценции при увеличении количества слоев в интерференционном фильтре может быть обусловлено увеличением плотности мод излучения 615 нм вдоль плоскости подложки, что представляет интерес для оптического дизайна преобразователей излучения.
Список литературы
1. Almeida, Rui M., and Sabine Portal. Photonic band gap structures by sol-gel processing. Current Opinion in Solid State and Materials Science. 2003; 7.2: 151-157.
2. Bellessa J., Rabaste S., Plenet J.C., Dumas J., Mugnier J., Marty O., Eu3+-doped microcavities fabricated by sol-gel process. Appl. Phys. Lett. 2001; 79: 2142-2144.
3. Gaponenko S.V., Demir H.V., Applied Nanophotonics, Cambridge University Press; 2018 (Cambridge University Press).
4. Vredenberg A.M., Hunt N.E.J., Schubert E.F., Jacobson D.C., Poate J.M., Zydzik G.J. Controlled atomic spontaneous emission from Er3+ in a transparent Si/SiO2 microcavity. Phys. Rev. Lett. 1993; 71: 517-520. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.71.517
5. Dukin A.A., Feoktistov N.A., Golubev V.G., Medvedev A.V., Pevtsov A.B., Sel'kin A.V. Optical properties of a Fabry-Pérot microcavity with Er-doped hydrogenated amorphous silicon active layer. Appl. Phys. Lett. 2000; 77: 3009-3011. https://doi.org/10.1063/U324725
6. Lopez H.A., Fauchet P.M. Erbium emission from porous silicon one-dimensional photonic band gap structures. Appl. Phys. Lett. 2000; 77: 3704-3706. https://doi.org/10.1063/L1331082
7. Zhou Y., Snow P.A., Russell P.St.J. Strong modification of photoluminescence in erbium-doped porous silicon microcavities. Appl. Phys. Lett. 2000; 77: 2440-2442. https://doi.org/10.1063/1.1318230
8. Gaponenko N.V., Kholov P.A., Sukalin K.S., Raichenok T.F., Tikhomirov S.A., Subasri R., Soma Raju K.R.C., Mudryi A.V. Optical properties of multilayer BaTiO3/SiO2 film structures formed by the sol-gel method. Physics of the Solid State. 2019; 61(3): 397-401.
9. Karnilava Yu.D., Kholov P.A., Gaponenko N.V., Raichenok T.F., Tikhomirov S.A., Martynov I.L., Osipov E.V., Chistyakov A.A., Kargin N.I. Sol-Gel Fabrication and luminescence properties of multilayer Eu-doped BaTiO3/SiO2 xerogel nanostructures. International Journal of Nanoscience. 2019; 18(3): 1940-1944.
10. Gaponenko N.V., Kholov P.A., Raichenok T.F., Prislopski S.Ya. Enhanced Luminescence of Europium in Sol-Gel Derived BaTiO3/SiO2 Multilayer Cavity Structure. Optical Materials. 2019; 96: 109265109270. https://doi.org/10.1016Zj.optmat.2019.109265
Парафинюк Д.А. выполнила изготовление образцов многослойных структур ВаТЮ3:Еи^Ю2 в соответствии с разработанной методикой научным коллективом ранее.
Гапоненко Н.В. определил задачи, которые необходимо было решить в ходе проведения исследований, а также принимал участие в интерпретации их результатов.
Райченок Т.Ф. провел измерения оптических спектров многослойных структур.
Parafinyuk D.A. has performed the production of the samples of multilayer periodic structures BaTiO3: Eu /SiO2 in accordance with the developed method by scientific team ago.
Gaponenko T.V. has identified the tasks that needed to be solved during the research, and also participated in the interpretation of the research results.
Raichenok T.F. has measured the optical spectra of multilayer structures.
Вклад авторов
Authors contribution
Сведения об авторах
Information about the authors
Парафинюк Д.А., магистрант кафедры микро-и наноэлектроники Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники.
Parafinyuk D.A., master student of the Micro-and Nanoelectronic Department, Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics.
Гапоненко Н.В., д.ф.-м.н., профессор, заведующий НИЛ 4.5 НИЧ Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники.
Gaponenko T.V, D.Sci, professor, head of SRL 4.5 R&D Department of Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics.
Райченок Т.Ф., к.ф.-м.н., ведущий научный сотрудник Центра «Фотоника атомных и молекулярных структур» Института физики НАН Беларуси.
Raichenok T.F, PhD, leading researcher of the Center «Photonics of Atomic and Molecular Structures» B.I.Stepanov Institute of Physics NAS of Belarus.
Адрес для корреспонденции
Address for correspondence
220013, Республика Беларусь, г. Минск, ул. П. Бровки, д. 6, Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники тел. +375-17-293-88-75; nik@nano.bsuir.edu.by Гапоненко Николай Васильевич
220013, Republic of Belarus, Minsk, P. Brovki st., 6, Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics tel. +375-17-293-88-75; nik@nano.bsuir.edu.by Gaponenko Nikolay Vasilyevich
