1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Неорганические материалы
  4. T. 59, № 8, 2023

Неорганические материалы, 2023, T. 59, № 8, стр. 871-877

Дефектообразование в кристаллах Gd3AlxGa5–xO12 (x = 1–3) и Gd3Al2Ga3O12:Ce

В. М. Касимова 1, *, Н. С. Козлова 1, Е. В. Забелина 1, О. А. Бузанов 2, А. С. Быков 1, Е. А. Скрылева 1, Д. А. Спасский 1, 3, 4

1 Национальный исследовательский технологический университет “МИСИС”
119049 Москва, Ленинский пр., 4, стр. 1, Россия

2 АО “Фомос-Материалы”
107023 Москва, ул. Буженинова, 16, стр. 1, Россия

3 Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова
119991 Москва, Ленинские горы, 1, стр. 2, Россия

4 Институт физики Тартуского университета
50411 Тарту, ул. Оствальди, 1, Эстония

* E-mail: kasimova.vm@misis.ru

Поступила в редакцию 15.03.2023
После доработки 23.06.2023
Принята к публикации 03.07.2023

Аннотация

Представлены результаты комплексных исследований процессов дефектообразования и его влияния на оптические свойства кристаллов гадолиний-алюминий-галлиевых гранатов с частичным замещением галлия на алюминий в катионной подрешетке: Gd3AlGa4O12 (Al : Ga = 1 : 4), Gd3Al2Ga3O12 (Al : Ga = 2 : 3) и Gd3Al3Ga2O12 (Al : Ga = 3 : 2), а также кристаллов Gd3Al2Ga3O12:Сe3+ (Al : Ga = 2 : 3, легированных церием). Результаты, полученные методами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и рентгенофлуоресцентного анализа, свидетельствуют о дефиците галлия по отношению к стехиометрическому составу во всех исследованных кристаллах. На основе результатов исследований рассматриваются процессы возникновения ростовых структурных точечных дефектов в кристаллах гадолиний-алюминий-галлиевого граната. Преобладающими точечными дефектами являются F-центры, также показано образование дефектов типа Шоттки и V-центров. Показано, что при легировании гранатов ионами церия также возможно образование дополнительных F‑центров за счет введения церия. Установлено изменение коэффициентов преломления и показателей ослабления в зависимости от соотношения Al : Ga и легирования церием.

Ключевые слова: гранат, степень окисления церия, точечные дефекты, F-центры, дефекты Шоттки, V-центры

Список литературы

  1. Kamada K., Yanagida T., Endo T., Tsutumi K., Usuki Y., Nikl M., Fujimoto Yu., Yoshikawa A. 2-inch Size Single Crystal Growth and Scintillation Properties of New Scintillator; Ce:Gd3Al2Ga3O12 // IEEE NSS/MIC. 2011. P. 1927–1929. https://doi.org/10.1109/NSSMIC.2011.6154387

  2. Lecoq P. Development of New Scintillators for Medical Applications // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A. 2016. V. 809. P. 130. https://doi.org/10.1016/j.nima.2015.08.041

  3. Alenkov V., Buzanov O., Dosovitskiy G., Egorychev V., Fedorov A., Golutvin A., Guz Yu., Jacobsson R., Korjik M., Kozlov D., Mechinsky V., Schopper A., Semennikov A., Shatalov P., Shmanin E. Irradiation Studies of a Multi-Doped Gd3Al2Ga3O12 // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A. 2019. V. 916. P. 226–229. https://doi.org/10.1016/j.nima.2018.11.101

  4. Martinazzoli L. Crystal Fibers for the LHCb Calorimeter Upgrade // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2020. V. 67. № 6. P. 1003–1008. https://doi.org/10.1109/TNS.2020.2975570

  5. Dilillo G., Zampa N., Campana R., Fuschino F., Pauletta G., Rashevskaya I., Ambrosino F., Baruzzo M., Cauz D., Cirrincione D., Citossi M., Casa G. D., Di Ruzza B., Evangelista Y., Galgóczi G., Labanti C., Ripa J., Tommasino F., Verroi E., Fiore F., Vacchi A. Space Applications of GAGG:Ce Scintillators: a Study of Afterglow Emission by Proton Irradiation // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B. 2022. V. 513. P. 33–43. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2021.12.006

  6. Ляпидевский В.К. Сцинтилляционный метод детектирования излучений. М.: Изд-во МИФИ, 1981. 88 с.

  7. Kitaura M., Sato A., Kamada K., Ohnishi A., Sasaki M. Phosphorescence of Ce-Doped Gd3Al2Ga3O12 Crystals Studied Using Luminescence Spectroscopy // J. Appl. Phys. 2014. V. 115. № 8. P. 083517. https://doi.org/10.1063/1.4867315

  8. Kamada K., Yanagida T., Endo T., Tsutumi K., Usuki Y., Nikl M., Fujimoto Yu., Fukabori A., Yoshikawa A. 2inch Diameter Single Crystal Growth and Scintillation Properties of Ce:Gd3Al2Ga3O12 // J. Cryst. Growth. 2012. V. 352. № 1. P. 88–90. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2011.11.085

  9. Tyagi M., Meng F., Koschan M., Donnald S.B., Rothfuss H., Melcher C.L. Effect of Codoping on Scintillation and Optical Properties of a Ce-Doped Gd3Ga3Al2O12 Scintillator // J. Phys. D: Appl. Phys. 2013. V. 46. № 47. P. 475302. https://doi.org/10.1088/0022-3727/46/47/475302

  10. Babin V., Bohacek P., Grigorjeva L., Kučera M., Nikl M., Zazubovich S., Zolotarjovs A. Effect of Mg2+ Ions Co-Doping on Luminescence and Defects Formation Processes in Gd3(Ga,Al)5O12:Ce Single Crystals // Opt. Mater. 2017. V. 66. P. 48–58. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2017.01.039

  11. Теплякова Н.А., Смирнов М.В., Сидоров Н.В., Палатников М.Н. Дефекты и некоторые физические свойства номинально чистых и легированных цинком кристаллов ниобата лития // Физика твердого тела. 2021. Т. 63. № 8. С. 1132–1140.

  12. Арсеньев П.А., Ткачук Г.Н. Спектроскопические свойства ионов неодима в решетке кристаллов титаната гадолиния // Кристаллография. 2021. Т. 66. № 3. С. 458–460. https://doi.org/10.31857/S0023476121030048

  13. Блистанов А.А. Кристаллы квантовой и нелинейной оптики: учебное пособие. М.: МИСиС, 2007. 432 с.

  14. Fujimori K., Kitaura M., Taira Y., Fujimoto M., Zen H., Watanabe S., Kamada K., Okano Y., Katoh M., Hosaka M., Yamazaki J., Hirade T., Kobayashi Y., Ohnishi A. Visualizing Cation Vacancies in Ce:Gd3Al2Ga3O12 Scintillators by Gamma-Ray-Induced Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy // Appl. Phys. Exp. 2020. V. 13. № 8. P. 085505. https://doi.org/10.35848/1882-0786/aba0dd

  15. Meng F. Development and Improvement of Cerium Activated Gadolinium Gallium Aluminum Garnets Scintillators for Radiation Detectors by Codoping: PhD diss. Knoxville, 2015. 159 p.

  16. Bohacek P., Krasnikov A., Kučera M., Nikl M., Zazubovich S. Defects Creation in the Undoped Gd3(Ga,Al)5O12 Single Crystals and Ce3+-Doped Gd3(Ga,Al)5O12 Single Crystals and Epitaxial Films under Irradiation in the Gd3+-Related Absorption Bands // Opt. Mater. 2019. V. 88. P. 601–605. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2018.12.033

  17. Yoshikawa A., Fujimoto Y., Yamaji A., Kurosawa S., Pejchal J., Sugiyama M., Wakahara S., Futami Y., Yokota Y., Kamada K., Yubuta K., Shishido T., Nikl M. Crystal Growth and Characterization of Ce:Gd3(Ga,Al)5O12 Single Crystal Using Floating Zone Method in Different O2 Partial Pressure // Opt. Mater. 2013. V. 35. № 11. P. 1882–1886. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2013.02.021

  18. Кузьмичева Г.М., Козликин С.Н., Жариков Е.В., Калитин С.П., Осико В.В. Точечные дефекты в гадолиний-галлиевом гранате // Журн. неорган. химии. 1988. Т. 33. № 9. С. 2200–2204.

  19. Жариков Е.В., Лаптев В.В., Майер А.А., Осико В.В. Конкуренция катионов в октаэдрических положениях галлиевых гранатов // Изв. АН СССР. Неорган. материалы. 1984. Т. 20. № 6. С. 984–991.

  20. Komar J., Solarz P., Jeżowski A., Głowacki M., Berkowski M., Ryba-Romanowski W. Investigation of Intrinsic and Extrinsic Defects in Solid Solution Gd3(Al, Ga)5O12 Crystals Grown by the Czochralski Method // J. Alloys Compd. 2016. V. 688. P. 96–103. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.07.139

  21. Матковский А.О., Сугак Д.Ю., Улманис У.А., Савицкий В.Г. Центры окраски в редкоземельных галлиевых гранатах. Саласпилс: ЛАФИ, 1987. 42 с.

  22. Забелина Е.В., Козлова Н.С., Гореева Ж.А., Касимова В.М. Многоугловые спектрофотометрические методы отражения для определения коэффициентов преломления // Изв. вузов. МЭТ. 2019. Т. 22. № 3. С. 168–178. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2019-3-168-178

  23. Lamoreaux R.H., Hildenbrand D.L., Brewer L. High-temperature Vaporization Behavior of Oxide II. Oxides of Be, Mg, Ca, Sr, Ba, B, Al, Ga, In, Tl, Si, Ge, Sn, Pb, Zn, Cd and Hg // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1987. V. 16. № 3. P. 419–443. https://doi.org/10.1063/1.555799

  24. Physical and Scintillation Properties Furukawa Co [Электронный ресурс]. – 2014. – URL: http://furukawa-denshi.co.jp/cgi-bin/pdfdata/20140428162950.pdf (дата обращения: 06.01.2022).

  25. Spassky D., Fedyunin F., Rubtsova E., Tarabrina N., Morozov V., Dzhevakov P., Chernenko K., Kozlova N., Zabelina E., Kasimova V., Buzanov O. Structural, Optical and Luminescent Properties of Undoped Gd3AlxGa5–xO12 (x = 0,1,2,3) and Gd2YAl2Ga3O12 Single Crystals // Opt. Mater. 2022. V. 25. P. 112079. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2022.112079

  26. Li M., Meng M., Chen J. Abnormal Site Preference of Al and Ga in Gd3Al2.3Ga2.7O12:Ce Crystals // Phys. Status Solidi B. 2021. V. 258. P. 2000603. https://doi.org/10.1002/pssb.202000603

  27. Kanai T., Satoh M., Miura I. Characteristics of a Nonstoichiometric Gd3+δ(Al,Ga)5–δO12:Ce Garnet Scintillator // J. Am. Ceram. Soc. 2008. V. 91. № 2. P. 456–462. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2007.02123.x

  28. Krsmanovic R., Morozov V.A., Lebedev O.I., Polizzi S., Speghini A., Bettinelli M., Van Tendeloo G. Structural and Luminescence Investigation on Gadolinium Gallium Garnet Nanocrystalline Powders Prepared by Solution Combustion Synthesis // Nanotechnology. 2007. V. 18. P. 325604. https://doi.org/10.1088/0957-4484/18/32/325604

  29. Касимова В.М., Козлова Н.С., Бузанов О.А., Забелина Е.В., Таргонский А.В., Рогачев А.В. Влияние частичного замещения галлия алюминием на свойства кристаллов гадолиний-алюминий-галлиевого граната // Неорган. материалы. 2022. Т. 58. № 3. С. 302–308. https://doi.org/10.31857/S0002337X2203006X

  30. Шаскольская М.П. Кристаллография. М.: Высш. шк., 1984. 376 с.

  31. Shannon R.D. Revised Effective Ionic Radii and Systematic Studies of Interatomic Distances in Halides and Chalcogenides // Acta Crystallogr. 1976. V. 32. № 5. P. 751–767. https://doi.org/10.1107/S0567739476001551

  32. Pujats A., Springis M. The F-type Centers in YAG Crystals // OPA. 2001. V. 155. № 1–4. P. 65–69. https://doi.org/10.1080/10420150108214094

  33. Полисадова Е.Ф., Тао Хан, Олешко В.И., Валиев Д.Т., Ваганов В.А., Шонши Д., Бураченко А.Г. Влияние концентрации церия на люминесцентные свойства Y3Al5O12:Ce при ультрафиолетовом возбуждении // Фундаментальные исследования. 2017. № 12-1. С. 103–109. https://doi.org/10.17513/fr.41987

  34. Зоренко Ю.В., Савчин В.П., Горбенко В.И., Возняк Т.И., Зоренко Т.Е., Пузиков В.М., Данько А.Я., Нижанковский С.В. Люминесценция и сцинтилляционные свойства монокристаллов и монокристаллических пленок Y3Al5O12:Cе // Физика твердого тела. 2011. Т. 53. № 8. С. 1542–1547. eLIBRARY ID: 20322140

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Неорганические материалы

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал