Физика и химия стекла. T. 49, Номер 6, 2023

  1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Физика и химия стекла
  4. T. 49, № 6, 2023

Физика и химия стекла, 2023, T. 49, № 6, стр. 619-631

Спектральные свойства наноструктурированных композиционных стекломатериалов, активированных иттрием в присутствии меди либо висмута

М. А. Гирсова 1, *, Г. Ф. Головина 1, Л. Н. Куриленко 1, И. Н. Анфимова 1

1 Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова РАН
199034 Санкт-Петербург, наб. Макарова, 2, Россия

* E-mail: girsovama@yandex.ru

Поступила в редакцию 19.07.2023
После доработки 02.08.2023
Принята к публикации 07.08.2023

Полный текст (PDF)

Аннотация

Синтезированы композиционные материалы (КМ) на основе матриц из пористых стекол, активированные иттрием в присутствии меди либо висмута. Установлено, что образцы КМ в зависимости от состава обладают УФ, сине-зеленой, красной и инфракрасной люминесценцией, обусловленной присутствием различных центров, в том числе Bi3+ и Cu+ ионов, F центров в Y2O3, молекулярных ионов ${\text{O}}_{3}^{{ - 2}},$ ассоциированных с катионными вакансиями Y3+.

Ключевые слова: композиционные материалы, пористое стекло, висмут, медь, иттрий, оптическая спектроскопия, инфракрасная спектроскопия, энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия, люминесценция

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время возрос интерес к объемным металлическим стеклам (bulk metallic glasses) и материалам, активированным одновременно иттрием и медью либо иттрием и висмутом, в связи с возможностью их применения в сенсорных приложениях (например, датчики влажности), в фотокатализе, в дисплейных технологиях (для создания дисплеев с полевой эмиссией (field-emission displays (FEDs), высокоэффективных светоизлучающих диодов (light-emitting diodes (LEDs)), включая белые светодиоды (white LEDs)), благодаря тому, что такого рода материалы обладают превосходными люминесцентными свойствами [1–15].

Известно, что одновременное присутствие оксида иттрия и меди либо оксида иттрия и висмута в материале при вариации их концентрации и соотношения (Y2O3/CuO либо Y2O3/Bi2O3) приводит к изменению интенсивности полос поглощения и люминесценции, связанных с ионами меди либо висмута в разных степенях окисления [1, 3, 6, 10, 11, 13, 15]. Спектральные и люминесцентные свойства материалов, активированных одновременно иттрием и медью либо иттрием и висмутом, чувствительны также к режиму их тепловой обработки [13–15].

Изучение влияния оксида иттрия на изменение валентного состояния висмута и меди в материалах представляет интерес в связи с изменением их спектральных и люминесцентных свойств в UV-VIS-NIR диапазоне спектра. В настоящей работе проведено комплексное исследование синтезированных композиционных материалов на основе пористого стекла, активированных иттрием в присутствии меди либо висмута, методами энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, оптической спектроскопии, инфракрасной спектроскопии, включая ближнюю ИК область, люминесцентной спектроскопии.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектами исследования являются композиционные материалы (КМ) на основе пористых стекол (ПС 8В-НТ), активированные иттрием в присутствии меди либо висмута. Образцы были в форме прямоугольных плоскопараллельных пластин (размером 15 × 15 × 1.5 ± 0.15 мм). Образцы ПС-8В-НТ-120 (средний диаметр пор в диапазоне 3–5 нм, пористость ~30%) состава по анализу, мас. %: 0.30 Na2O, 3.14 B2O3, 0.11 Al2O3, 96.45 SiO2 были получены по методике [16]. Образцы КМ получены путем пропитки при комнатной температуре в водно-солевых растворах гексагидрата нитрата иттрия в присутствии пентагидрата нитрата висмута либо тригидрата нитрата меди (массовое соотношение (1 : 1) нитратов в растворах было одинаковым) с последующей сушкой при 50°C. Образцы КМ были подвергнуты тепловой обработке (по специально разработанному режиму [17]) в воздушной атмосфере при 650°C в течение 120 мин. Обозначение синтезированных образцов в зависимости от состава пропитывающих растворов: Cu/Y, Bi/Y. При приготовлении растворов для синтеза композиционных материалов использовали реактивы: 6-водный нитрат иттрия Y(NO3)3·6H2O (“х. ч.”, 99.3%), 5‑водный нитрат висмута Bi(NO3)3∙5H2O (“ч. д. а”, 99.5%), 3-водный нитрат меди Cu(NO3)2·3H2O (“ч.”, 98.2%). Разложение азотнокислых солей (термолиз) до оксидов происходит при разных температурах: при 440–700°C (Bi(NO3)3∙5H2O)11, 22, выше 420°C (Y(NO3)3·6H2O)1, выше 170°C (Cu(NO3)2·3H2O)1.

Содержание висмута и меди по данным химического анализа в образцах КМ составляло ~1.5 мас. % (в пересчете на Bi2O3) и ~0.9 мас. % (в пересчете на CuO). Содержание висмута и меди в КМ было определено методом пламенной фотометрии на спектрофотометре iCE 3000 (Thermo Fisher Scientific). Стандартное квадратичное отклонение составляло 0.2–0.6%.

Элементный состав композитов изучен методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ЭДС). Измерены линейные профили концентрации элементов с шагом 20–40 мкм. Измерения проводились на сканирующем электронном микроскопе CamScan MX2500, оборудованном энергодисперсионным спектрометром Link Pentafet (Oxford Instruments, Si(Li) детектор с площадью 10 мм2 и разрешающей способностью 138 eV (для MnKα)). Образцы композитов запрессовывали в полимерные шайбы, полировали и напыляли углеродом. Измерения проводили на плоскопараллельных пластинах толщиной 1.50 ± 0.15 мм.

Исследования КМ методом ИК спектроскопии были проведены с помощью спектрофотометра SPECORD M-80 (Carl Zeiss JENA) в области частот 1000–400 см–1 со спектральным разрешением 4 см–1. Измерения проводили при комнатной температуре на образцах в виде таблеток диаметром 13 мм, спрессованных из смеси порошков КМ с KBr. Для изготовления таблеток была использована пресс-форма ПФ-13 в условиях вакуумной откачки (давление в вакуумной системе не более 20 мм рт. ст.). ИК спектры пропускания были измерены несколько раз для каждого образца.

Исследования КМ методом ближней ИК спектроскопии выполнены с помощью спектрофотометра ФСМ-2211 (“ИНФРАСПЕК”, Россия) со спектральным разрешением 2 см–1. Исследования КМ методом оптической спектроскопии проведены на спектрофотометре СФ-2000 (наименьший спектральный разрешаемый интервал 1 нм). Исследованы спектральные зависимости оптической плотности КМ в спектральном диапазоне 250–1100 нм. Исследования КМ методом люминесцентной спектроскопии были выполнены с помощью спектрофлуориметра RF 6000, SHIMADZU Corp. (источник возбуждения – ксеноновая лампа 150 Вт). Исследования КМ методами ближней ИК спектроскопии, оптической спектроскопии, люминесцентной спектроскопии проводили на образцах толщиной 1.50 ± 0.15 мм при комнатной температуре.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Методом ЭДС исследованы КМ в зависимости от их состава (Cu/Y, Bi/Y). Следует отметить, что концентрация натрия, алюминия была нулевой, а бор и азот методом ЭДС не определяются. Ранее в нашей работе [18] было установлено, что в образцах КМ Bi/Y распределение кислорода (49.63–52.31 мас. %, среднее значение: 50.52 ± 0.31 мас. %) и кремния (42.60–45.72 мас. %, среднее значение: 43.62 ± 0.24 мас. %) довольно равномерное по всей толщине. Висмут в КМ распределен неравномерно (0.00–4.56 мас. %, среднее значение: 3.04 ± 0.27 мас. %) по толщине образцов, а иттрий (0.83–2.49 мас. %, среднее значение: 1.73 ± 0.30 мас. %) наоборот, почти равномерно, за исключением поверхностного слоя (~100 мкм) [18]. На характерных спектрах элементного состава центральной части образцов КМ Bi/Y обнаружены пики, соответствующие основным компонентам (сильные пики – Si, O), слабые и сильные пики висмута в интервале энергий ~1.5–3.2 кэВ, слабые и сильные пики иттрия – ~1.5–2.0 и ~15.0–17.0 кэВ.

Данные, полученные методом ЭДС, для КМ Cu/Y представлены на рис. 1. В образцах КМ Cu/Y распределение кислорода (48.73–50.41 мас. %, среднее значение: 49.56 ± ± 0.36 мас. %) и кремния (42.23–44.04 мас. %, среднее значение: 43.12 ± 0.28 мас. %) довольно равномерное по всей толщине. Медь в КМ Cu/Y распределена почти равномерно (0.00–1.32 мас. %, среднее значение: 1.00 ± 0.12 мас. %) по толщине образцов, за исключением поверхностного слоя (~50 мкм). Нулевые значения концентрации иттрия (рис. 1а) указывают на то, что иттрий не был обнаружен из-за того, что его содержание было ниже предела чувствительности прибора. Распределение иттрия является неравномерным (0.00–1.35 мас. %, среднее значение: 0.69 ± 0.37 мас. %) по толщине КМ Cu/Y. На характерных спектрах элементного состава центральной части образцов КМ Cu/Y обнаружены пики, соответствующие основным компонентам (сильные пики – Si, O), слабые и сильные пики меди в интервале энергий ~0.5–1.0 и 8.0–9.0 кэВ, слабые и сильные пики иттрия – ~1.5–2.0 и ~15.0–17.0 кэВ.

Рис. 1.

Концентрационные профили элементов по толщине образцов и характерный спектр элементного состава центральной части образцов КМ Cu/Y, термообработанных при 650°C (по данным ЭДС).

Таким образом, при одинаковой концентрации вводимых солей в водные растворы и одинаковой тепловой обработке КМ (при 650°C) обнаружено, что содержание меди и иттрия в КМ Cu/Y ниже, чем содержание висмута и иттрия в КМ Bi/Y.

На рис. 2 представлен ИК спектр пропускания (1000–400 см–1) КМ Cu/Y при 650°C. Видны полосы поглощения при 916, 804, 676, 668, 620, 604, 584, 572, 552, 544, 472, 456 см–1. Для КМ Bi/Y (при 650°C) данные, полученные методом ИК спектроскопии в области частот 1000–400 см–1, опубликованы в [19]. Были обнаружены полосы поглощения при 920, 804, 676, 636, 592, 468, 408 см–1.

Рис. 2.

ИК спектр пропускания (1000–400 см–1) КМ Cu/Y, термообработанного при 650°C.

На ИК спектрах всех КМ обнаружены фундаментальные полосы при 920–916, 804, 676, 592–584, 472–468 см–1. Перегибы на кривых при 920 и 916 см–1, возможно, связаны с валентными колебаниями B–O–Si связей ν (B–O–Si) [20, 21]. Сильная полоса при 804 см–1 может относиться к валентным колебаниям Si–O–Si связей ν (Si–O–Si) между тетраэдрами и к колебаниям Y–O [20, 21]. Полосу при 676 см–1 следует приписывать к симметричным валентным колебаниям Si–O–Si структурных единиц νs (Si–O–Si), к валентным колебаниям B–O–Si связей ν (B–O–Si), а также может относиться к Bi–O–Si связями для КМ Bi/Y [20, 22, 23]. Перегибы на кривых при 592 и 584 см–1, скорее всего, обусловлены наличием валентных колебаний Si–O–Si связей ν (Si–O–Si) и колебаниям Y–O связей в Y2O3 [24, 25]. Полоса при 592 см–1 у КМ Bi/Y, возможно, вызвана колебаниями Bi–O–Bi связей в [BiO6] структурных единицах, колебаниями катионов Bi3+ в [BiO6] и/или [BiO3] структурных единицах [22, 23], а полоса при 584 см–1 обнаруженная у КМ Cu/Y может быть связана с валентными колебаниями Cu–O [4, 26].

Полосы при 472 и 468 см–1, скорее всего, относятся к деформационным δ(Si–O–Si) и маятниковым колебаниям Si–O–Si, к деформационным колебаниям O–Si–O связей δ(O–Si–O) и Si–O связей δ(Si–O), а также к колебаниям Y–O связей в Y2O3 и к асимметричным валентным колебаниям Si–O–Y структурных единиц νas (Si–O–Y) [20, 21, 27]. Полоса при 468 см–1 у КМ Bi/Y может быть также связана с колебанием Bi–O–Bi и Bi–O связей в [BiO6] структурных единицах [22, 23]. Кроме того, полосы при 584 и 472 см–1 у КМ Cu/Y, возможно, появляются из-за колебаний связей в наночастицах CuO [26].

Две дополнительные полосы при 636 и 408 см–1 были обнаружены у КМ Bi/Y. Первая полоса, скорее всего, обусловлена симметричными валентными колебаниями Si–O–Si связей νs (Si–O–Si) [24], а вторая полоса – колебаниями Bi–O–Bi и Bi–O связей в [BiO6] структурных единицах; деформационными колебаниями Si–O–Si δ(Si–O–Si), Si–O δ(Si–O) и Y–O δ(Y–O) связей [22, 23, 28].

Для КМ Cu/Y установлено наличие семи дополнительных полос при 668, 620, 604, 572, 552, 544, 456 см–1. Полоса при 668 см–1, возможно, относится к колебанию Si–Si связей, к нейтральным кислородным вакансиям, которые описываются как ≡Si–Si≡ [29]. Полосу при 620 см–1, скорее всего, следует приписывать к колебанию связей в CuO и валентным колебаниям Y–O связей в Y2O3, а слабую полосу при 604 см–1 – к колебаниям в CuO [30–34]. Полосы при 572, 552, 544, 456 см–1, скорее всего, указывают на колебания Y–O связей в Y2O3, а слабые полосы при 544 и 456 см–1, возможно, связаны с колебаниями связей в CuO [35–38].

На рис. 3 представлены ИК спектры пропускания КМ Cu/Y при 50 и 650°C в разных спектральных областях частот: 11000–9000 и 9000–4000 см–1. Для КМ Cu/Y при 50°C видны полосы поглощения при 7447, 7320, 7087, 6850, 5583, 5243, 4423 см–1. С повышением температуры тепловой обработки у КМ Cu/Y обнаружены полосы при 10 757, 8131, 7443, 7332, 7155, 5281, 4537 см–1. Для КМ Bi/Y при 50 и 650°C данные, полученные методом ИК спектроскопии в указанных областях частот, были опубликованы в [18]. Для КМ Bi/Y при 50°C обнаружены полосы поглощения при 10 448, 8703, 7430, 7330, 7072, 6859, 5600, 5237, 4415 см–1, а для КМ Bi/Y при 650°C – при 10 752, 10 484, 8645, 8136, 7332, 7133, 6873, 5274, 4531 см–1 [18].

Рис. 3.

ИК спектры пропускания КМ Cu/Y, термообработанных при 50°C (1) и 650°C (2), в областях частот 11 000–9000 см–1 (а) и 9000–4000 см–1 (б).

У всех КМ обнаружены три фундаментальные полосы в областях частот 7332–7320, 7155–7072, 5281–5237 см–1. Полосы при 7332–7320 и 7155–7072 см–1, возможно, связаны с обертоном валентного колебания свободных OH групп 2ν(OH) и Si–OH групп ν(Si–OH) [39, 40]. Полосы при 5281–5237 см–1 следует отнести к сочетанию деформационных и валентных колебаний воды (δ + ν) H2O и гидроксильных групп (δ + ν) OH [39, 40]. У большинства КМ (кроме КМ Cu/Y при 50°C) обнаружены полосы в областях частот 10 757–10 752 см–1 (~930 нм) и 10484–10448 см–1 (~954–957 нм), которые, скорее всего, связаны со вторым обертоном валентных колебаний свободных групп OH [41, 42]. Полосы при 10 484–10 448 см–1, возможно, приписать к колебанию решетки в Y2O3 [43]. Кроме того, полосы при 10 752, 10 484, 10 448 см–1, обнаруженные у КМ Bi/Y, могут относиться к поглощению Bi+ ионов (электронный переход 3P0 → 3P1) и Bi0 (электронный переход ${}^{4}{{S}_{{3/2}}} \to {}^{2}{{D}_{{3/2}}}(1)$) [44, 45]. Слабая полоса при 10757 см–1 (КМ Cu/Y при 650°C), возможно, связана с октаэдрической координацией Cu2+ ионов в КМ с сильным тетрагональным искажением (электронный переход 2B2g → 2B1g) [46].

Слабые дополнительные полосы поглощения при 8703 и 8645 см–1 (~1149 и ~1157 нм) у КМ Bi/Y, скорее всего, могут быть приписаны к сочетанию обертонов валентных колебаний OH групп (2ν3 + 2ν1) OH [41]. Слабые полосы при 8136 см–1 (~1229 нм) у КМ Bi/Y при 650°C и при 8131 см–1 (~1230 нм) у КМ Cu/Y при 650°C, возможно, относятся к сочетанию валентных колебаний OH групп (2ν3 + ν1) OH, к сочетанию первого обертона валентных колебаний свободных OH групп и валентных колебаний Si–O связей 2ν(OHСВ) + ν (Si–O) [41, 42]. Помимо этого, полоса при 8131 см–1 может быть связана с Cu2+ ионами в КМ (электронный переход 2A1g → 2B1g) [46].

Полоса при 7430 см–1 (~1346 нм), наблюдаемая у КМ Bi/Y при 50°C, и полосы при 7447 см–1 (~1343 нм) и 7443 см–1 (~1344 нм) у КМ Cu/Y при 50 и 650°C соответственно, могут быть обусловлены обертонами валентного колебания OH групп (2ν3) OH [41]. Полосы при 6859 см–1 (~1458 нм) у КМ Bi/Y при 50°C, при 6873 см–1 (~1455 нм) у КМ Bi/Y при 650°C и при 6850 см–1 (~1460 нм) у КМ Cu/Y при 50°C, возможно, связаны с поглощением гидроксильных групп 2ν(OH) и сочетанием деформационных и валентных колебаний воды (δ + ν) H2O [39, 40]. У высушенных образцов (при 50°C) обнаружены полосы при 5600 см–1 (~1786 нм) у КМ Bi/Y и при 5583 см–1 (~1791 нм) у КМ Cu/Y, скорее всего, относятся к сочетанию деформационных и валентных колебаний воды (δ + ν) H2O) [40]. В низкочастотной области у КМ происходит смещение полос поглощения с повышением температуры тепловой обработки (50 → 650°C) от 4423–4415 см–1 (~2261–2265 нм) до 4537–4531 см–1 (~2204–2207 нм). При этом положение полос поглощения у КМ в зависимости от состава не меняется. Полосы при 4537–4531 см–1 следует относить к валентным колебаниям OH ν(OH) и Na–OH групп ν(Na–OH), к деформационным колебаниям Si–OH групп δ(Si–OH) [39, 40, 47]. Полосы при 4423–4415 см–1 обусловлены деформационными колебаниями Si–OH групп δ(Si–OH), валентными колебаниями OH групп ν(OH), а также полоса при 4415 см–1 может быть связана с поглощением димеров ${\text{Bi}}_{2}^{ + }$ и Bi+ ионов (электронный переход 3P0 → 3P1) [39, 45, 48]. Таким образом, тепловая обработка КМ приводит к большим изменения спектральных свойств по сравнению с влиянием состава КМ.

На рис. 4 представлен спектр оптической плотности КМ Cu/Y при 650°C в спектральном диапазоне 380–900 нм. Обнаружена широкая полоса поглощения с максимумом при 763 нм (~13 106 см–1), которая может быть связана с Cu2+ ионами в КМ (электронный переход 2Eg → 2B1g) [46]. Для КМ Bi/Y при 650°C в указанном спектральном диапазоне характерны полосы поглощения при 395, 473, 740 нм (данные опубликованы в [18]). Первая полоса, возможно, относится к Bi3+ ионам (электронный переход ${}^{1}{{D}_{2}} \to {}^{3}{{P}_{2}}$), к ${\text{Bi}}_{5}^{{3 + }}$ поликатионам, к димерам висмута и сферическим коллоидным частицам висмута; вторая полоса – к Bi2+ ионам (электронный переход ${}^{2}{{P}_{{1/2}}} \to {}^{2}{{P}_{{3/2}}}(2)$), к Bi+ ионам (электронный переход ${}^{3}{{P}_{0}} \to {}^{1}{{S}_{0}}$), к димерам висмута и Bi0 (электронный переход ${}^{4}{{S}_{{3/2}}} \to {}^{2}{{P}_{{1/2}}}$); третья полоса – к ${\text{Bi}}_{5}^{{3 + }}$ поликатионам, к димерам висмута и к Bi+ ионам (электронный переход ${}^{3}{{P}_{0}} \to {}^{3}{{P}_{1}}$) (обзор в [18]).

Рис. 4.

Спектр оптической плотности КМ Cu/Y, термообработанного при 650°C.

Спектры УФ, видимой и ИК люминесценции (в диапазоне 220–830 нм) образцов КМ Bi/Y и КМ Cu/Y при λвозб = 200, 280, 330 нм представлены на рис. 5 и 6.

Рис. 5.

Спектры люминесценции КМ Bi/Y, термообработанного при 650°C, в зависимости от длины волны возбуждения: (а, б) 200, (в) 280, (г) 330 нм.

Рис. 6.

Спектры люминесценции КМ Cu/Y, термообработанного при 650°C, в зависимости от длины волны возбуждения: (а–в) 200, (г) 280, (д) 330 нм.

При λвозб = 200 нм (рис. 5а, б) на спектрах люминесценции КМ Bi/Y присутствует УФ полоса с максимумом при λлюм = 365 нм, а также серия узких полос люминесценции в области 700–780 нм с основным максимумом при λлюм = 730 нм. При λвозб = 280 нм (рис. 5в) на спектре люминесценции КМ Bi/Y обнаружена УФ люминесценция (λлюм = 321, 360 нм) и синяя люминесценция (λлюм = 445 нм). При λвозб = 330 нм (рис. 5г) на спектре люминесценции КМ Bi/Y видна УФ люминесценция (λлюм = 363 нм) и фиолетово-синяя люминесценция (λлюм = 413, 436 нм).

У КМ Cu/Y при λвозб = 200 нм (рис. 6а–в) обнаружена УФ люминесценция с серией узких полос с максимумами при λлюм = 235, 243, 249,  261, 367 нм, а также сине-зеленая люминесценция в области 410–550 нм с серией узких линий, из которых две основные наблюдаем при λлюм = 493 и  511 нм. У КМ Cu/Y при λвозб = 280 нм (рис. 6г) была выявлена узкая полоса ИК люминесценции с максимумом при λлюм = 775 нм. У КМ Cu/Y при λвозб = 330 нм (рис. 6д) обнаружена слабая полоса красной люминесценции при λлюм = 712 нм и широкополосную ИК люминесценцию с максимумом при λлюм = 780 нм.

Перейдем к анализу спектров люминесценции КМ Bi/Y и Cu/Y.

У всех КМ наблюдаем УФ люминесценцию при λлюм = 360–367 нм и серию узких полос красной и ИК люминесценции в области 700–780 нм. УФ люминесценция может быть вызвана молекулярными ионами ${\text{O}}_{3}^{{ - 2}},$ ассоциированными с катионными вакансиями Y3+ [49]. Серию узких полос в области 700–780 нм возможно приписать к излучению радикалов Y=O [49, 50].

Дополнительная УФ полоса люминесценции при λлюм = 321 нм у КМ Bi/Y, скорее всего, связана с переходом Bi3+ → Y3+ и с Bi3+ парами [51, 52]. Широкая полоса синей люминесценции при λлюм = 445 нм у КМ Bi/Y, возможно, принадлежит ионам Bi3+ (электронный переход 3P1 → 1S0) [53, 54]. Фиолетово-синяя люминесценция слабой интенсивности с максимумами при λлюм = 413 и 436 нм у КМ Bi/Y может быть отнесена к ионам Bi3+ (электронный переход 3P1 → 1S0) [55, 56].

Обнаруженная у КМ Cu/Y серия узких полос УФ люминесценции в области 220–300 нм с основным максимумом при λлюм = 249 нм может быть вызвана различными кремниевыми дефектными центрами и кислородными вакансиями в ПС-матрице [57, 58]. Сине-зеленая люминесценция с серией узких линий с двумя главными максимумами при λлюм = 493 и 511 нм, возможно, связана с F центрами в Y2O3 [49]. Кроме того, сине-зеленая люминесценция в области 410–550 нм может относиться к Cu+ ионам [59–61].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе синтезированы композиционные материалы на основе матриц из пористых стекол, активированные иттрием в присутствии меди либо висмута.

Проведено исследование спектральных свойств композиционных материалов методами оптической, инфракрасной, энергодисперсионной и люминесцентной спектроскопии.

Установлено, что композиционные материалы в зависимости от их состава и длины волны возбуждения (200–330 нм) обладают люминесценцией в широком спектральном диапазоне от УФ до ближней ИК области, обусловленной присутствием различных люминесцентных центров, в том числе ионов меди и висмута, F центров в Y2O3 и кремниевых дефектных центров.

Список литературы

  1. Hashim A., Hadi A. Synthesis and characterization of (MgO–Y2O3–CuO) nanocomposites for novel humidity sensor application // Sensor Letters. 2017. V. 15. № 10. P. 858–861. https://doi.org/10.1166/sl.2017.3900

  2. El-Sayed F., Ganesh V., Hussien M.S.A., AlAbdulaal T.H., Zahran H.Y., Yahia I.S., Abdel-wahab M.Sh., Shakir M., Bitla Y. Facile synthesis of Y2O3/CuO nanocomposites for photodegradation of dyes/mixed dyes under UV- and visible light irradiation // Journal of Materials Research and Technology. 2022. V. 19. P. 4867–4880. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.06.163

  3. Marappa B., Pattar V., Rudresha M.S. Investigations of structural, optical and electrical properties of Cu2+ doped Y2O3 nanosheets // Chemical Physics Letters. 2019. V. 728. P. 67–61.

  4. Chen C., Jia N., Song K., Zheng X., Lan Y., Li Y. Sulfur-doped copper-yttrium bimetallic oxides: A novel and efficient ozonation catalyst for the degradation of aniline // Separation and Purification Technology. 2020. V. 236. P. 116248. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2019.116248

  5. Baulin O., Douillard T., Fabrègue D., Perez M., Pelletier J.-M., Bugnet M. Three-dimensional structure and formation mechanisms of Y2O3 hollow-precipitates in a Cu-based metallic glass // Materials & Design. 2019. V. 168. P. 107 660. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.107660

  6. Dai N., Wang Y., Xu B., Yang L., Luan H., Li J. Effect of yttrium oxide addition on absorption and emission properties of bismuth-doped silicate glasses // Journal of Rare Earths. 2012. V. 30. N 5. P. 418–421.

  7. Feng Z., Lou B., Yin M., Yeung Y., Sun H.-T., Duan C.-K. First-Principles Study of Bi3+-Related Luminescence and Electron and Hole Traps in (Y/Lu/La)PO4 // Inorganic Chemistry. 2021. V. 60. № 7. P. 4434–4446. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.0c03217

  8. Krasnikov A., Mihokova E., Nikl M., Zazubovich S., Zhydachevskyy Y. Luminescence Spectroscopy and Origin of Luminescence Centers in Bi-Doped Materials // Crystals. 2020. V. 10. № 3. P. 208. https://doi.org/10.3390/cryst10030208

  9. Scarangella A., Fabbri F., Reitano R., Rossi F., Priolo F., Miritello M. Visible emission from bismuth-doped yttrium oxide thin films for lighting and display applications // Scientific Reports. 2017. V. 7. P. 17325. https://doi.org/10.1038/s41598-017-17567-9

  10. Hughes M.A., McMaster R., Proctor J.E., Hewak D.W., Suzuki T., Ohishi Y. High pressure photoluminescence of bismuth-doped yttria-alumina-silica glass // High Pressure Research. 2022. V. 42. № 1. P. 94–104. https://doi.org/10.1080/08957959.2022.2044031

  11. Li Q., Zhang B., Wei Z., He M., Wang H., Wei Z., Shi Z. Effect of Bi3+ ion Concentration on Crystal Structure and Luminescent Properties of Blue-Green-Emitting Y2O3: Bi3+ Phosphors // Functional Materials Letters. 2020. V. 13. № 7. P. 2050036. https://doi.org/10.1142/s1793604720500368

  12. Singh O.S., Wangkhem R., Singh N.S. Excitation and activator concentration induced color tuning and white light generation from Bi3+ sensitized Y2O3:Eu3+: Energy transfer studies // Journal of Alloys and Compounds. 2021. V. 875. P. 160059. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.160059

  13. Jafer R.M., Swart H.C., Yousif A., Kumar V., Coetsee E. The effect of annealing temperature on the luminescence properties of Y2O3 phosphor powders doped with a high concentration of Bi3+ // Journal of Luminescence. 2016. V. 180. P. 198–203. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2016.08.042

  14. Yousif A., Kumar V., Jafer R.M., Swart H.C. The effect of different annealing temperatures on the structure and luminescence properties of Y2O3: Bi3+ thin film fabricated by RF magnetron sputtering // Applied Surface Science. 2017. V. 424. P. 407–411. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.01.001

  15. Korsunska N., Baran M., Poslishchuk Y., Kolomys, O., Stara T., Kharchenko M., Gorban O., Strelchuk V., Venger Ye., Kladko V., Khomenkova L. Structural and Luminescent Properties of (Y,Cu)-Codoped Zirconia Nanopowders // ECS Journal of Solid State Science and Technology. 2015. Vol. 4. № 9. P. N103–N110. https://doi.org/10.1149/2.0021509jss

  16. Antropova T., Girsova M., Anfimova I., Drozdova I., Polyakova I., Vedishcheva N. Structure and spectral properties of the photochromic quartz-like glasses activated by silver halides // J. Non-Cryst. Solids. 2014. V. 401. P. 139–141.

  17. Патент 2605711. Способ изготовления люминесцентного висмут-содержащего кварцоидного материала на основе высококремнеземного пористого стекла / Антропова Т.В., Гирсова М.А., Анфимова И.Н., Головина Г.Ф., Куриленко Л.Н., Фирстов С.В.; заявитель и патентообладатель Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова. – № 2015117713/05; заявл. 12.05.2015; опубл. 27.12.2016, Бюл. № 36. – 17 с.

  18. Гирсова М.А., Головина Г.Ф., Анфимова И.Н., Куриленко Л.Н., Антропова Т.В. Влияние соотношения Bi/Y на спектральные свойства висмутсодержащих композиционных материалов на основе силикатных пористых стекол // Физика и химия стекла. 2022. Т. 48. № 5. С. 555–567. https://doi.org/10.31857/S0132665122600145

  19. Гирсова М.А., Головина Г.Ф., Куриленко Л.Н. Инфракрасная спектроскопия композиционных материалов на основе высококремнеземных пористых стекол, активированных ионами висмута и иттрия // Физика и химия стекла. 2022. Т. 48. № 6. С. 746–752. https://doi.org/10.31857/S0132665122600418

  20. Husung R.D., Doremus R.H. The infrared transmission spectra of four silicate glasses before and after exposure to water // Journal of Materials Research. 1990. V. 5. № 10. P. 2209–2217.

  21. Reddy D.V.K., Taherunnisa Sk., Prasanna A.L., Rao T.S., Veeraiah N., Reddy M.R. Enhancement of the red emission of Eu3+ by Bi3+ sensitizers in yttrium alumino bismuth borosilicate glasses // Journal of Molecular Structure. 2019. V. 1176. P. 133–148.

  22. Hammad A.H., Abdelghany A.M., ElBatal H.A. Thermal, Structural, and Morphological Investigations of Modified Bismuth Silicate Glass-Ceramics // Silicon. 2017. V. 9. P. 239–248.

  23. Kundu R.S., Dult M., Punia R., Parmar R., Kishore N. Titanium induced structural modifications in bismuth silicate glasses // Journal of Molecular Structure. 2014. V. 1063. P. 77–82.

  24. Fuss T., Moguš-Milanković A., Ray C.S., Lesher C.E., Youngman R., Day D.E. Ex situ XRD, TEM, IR, Raman and NMR spectroscopy of crystallization of lithium disilicate glass at high pressure // Journal of Non-Crystalline Solids. 2006. V. 352. P. 4101–4111.

  25. Kumar G.R., Srikumar T., Krishna G.M., Baskaran G.S., Reddy A.S.S., Kumar V.R., Rao Ch.S. The role of Ni2+ ions on structural and spectroscopic properties of Li2O–ZrO2 –Y2O3–SiO2 glass system // Journal of Non-Crystalline Solids. 2018. V. 498. P. 372–379. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2018.03.025

  26. Borgohain K., Singh J.B., Rao M.V.R., Shripathi T., Mahamuni S. Quantum size effects in CuO nanoparticles // Physical Review B. 2000. V. 61. № 16. P. 11093–11096. https://doi.org/10.1103/physrevb.61.11093

  27. Romo F.C., Murillo A.G., Torres D.L., Castro N.C., Romero V.H., de la Rosa E., Febles V. G., Hernández M.G. Structural and luminescence characterization of silica coated Y2O3:Eu3+ nanopowders // Opt. Mater. 2010. V. 32. P. 1471–1479.

  28. Haritha A.H., Rao R.R. Sol-Gel synthesis and phase evolution studies of yttrium silicates // Ceramics International. 2019. V. 45. P. 24957–24964. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.03.157

  29. Luna-López J.A., Carrillo-López J., Aceves-Mijares M., Morales-Sánchez A., Falcony C. FTIR and photoluminescence of annealed silicon rich oxide films // Superficies y Vacío. 2009. V. 22. № 1. P. 11–14.

  30. Ananthamohan C., Hogarth C.A., Theocharis C.R., Yeates D. Investigation of infrared absorption spectra of copper phosphate glasses containing some rare earth oxides // Journal of Materials Science. 1990. V. 25. P. 3956–3959. https://doi.org/10.1007/bf00582466

  31. Shanmugapriya T., Balavijayalakshmi J. Role of graphene oxide/yttrium oxide nanocomposites as a cathode material for natural dye-sensitized solar cell applications // Asia-Pacific Journal of Chemical Engineering. 2021. V. 16. № 2. P. e2598. https://doi.org/10.1002/apj.2598

  32. Stefan R., Culea E., Pascuta P. The effect of copper ions addition on structural and optical properties of zinc borate glasses // Journal of Non-Crystalline Solids. 2012. V. 358. № 4. P. 839–846. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2011.12.079

  33. Sable P., Thabet N., Yaseen J., Dharne G. Effects on Structural Morphological and Optical Properties Pure and CuO/ZnO Nanocomposite // Trends in Science. 2022. V. 19. № 24. P. 3092/1–3092/10. https://doi.org/10.48048/tis.2022.3092

  34. Khlifi N., Mnif S., Nasr F.B., Fourati N., Zerrouki C., Chehimi M.M., Guermazi H., Aifa S., Guermazi S. Non-doped and transition metal-doped CuO nanopowders: structure-physical properties and antiadhesion activity relationship // RSC Advances. 2022. V. 12. P. 23527–23543. https://doi.org/10.1039/d2ra02433k

  35. Rachna, Aghamkar P. Morphological and optical investigation of Y2O3:SiO2 powder by wet chemical process // Optical Materials. 2013. V. 36. № 2. P. 337–341. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2013.09.019

  36. Liu T., Xu W., Bai X., Song H. Tunable silica shell and its modification on photoluminescent properties of Y2O3:Eu3+@SiO2 nanocomposites // Journal of Applied Physics. 2012. V. 111. № 6. P. 064312. https://doi.org/10.1063/1.3694767

  37. Iordanescu C.R., Tenciu D., Feraru I.D., Kiss A., Bercu M., Savastru D., Notonier R., Grigorescu C.E.A. Structure and morphology of Cu-oxides films derived from PLD processes // Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures. 2011. V. 6. № 2. P. 863–868.

  38. Aghazadeh M., Ghaemi M., Golikand A.N., Yousefi T., Jangju E. Yttrium Oxide Nanoparticles Prepared by Heat Treatment of Cathodically Grown Yttrium Hydroxide // International Scholarly Research Notices. 2011. V. 2011. P. 542 104/1–54 2104/6. https://doi.org/10.5402/2011/542104

  39. Gavrilko T., Gnatyuk I., Puchkovska G., Baran J., Marchewka M., Morawska-Kowal T. Application of NIR spectroscopic method to the study of porous glasses filled with liquid crystals // Optica Applicata. 2003. V. 33. № 1. P. 23–32.

  40. Davis K.M., Tomozawa M. An infrared spectroscopic study of water-related species in silica glasses // Journal of Non-Crystalline Solids. 1996. V. 201. P. 177–198.

  41. Humbach O., Fabian H., Grzesik U., Haken U., Heitmann W. Analysis of OH absorption bands in synthetic silica // Journal of Non-Crystalline Solids. 1996. V. 203. P. 19–26.

  42. Никитин В.А., Сидоров А.Н., Карякин А.В. Исследование адсорбции обычной и тяжелой воды на микропоистом стекле по инфракрасным спектрам поглощения // Журн. физической химии. 1956. Т. 30. Вып. 1. С. 117–128.

  43. Nigara Y. Measurement of the Optical Constants of Yttrium Oxide // Japanese Journal of Applied Physics. 1968. V. 7. № 4. P. 404–408.

  44. Peng M., Zollfrank C., Wondraczek L. Origin of broad NIR photoluminescence in bismuthate glass and Bi-doped glasses at room temperature // J. Phys.: Condens. Matter. 2009. V. 21, article 285106. P. 1–6.

  45. Plotnichenko V.G., Philippovskiy D.V., Sokolov V.O., Golovanov V.F., Polyakova G.V., Lisitsky I.S., Dianov E.M. Infrared luminescence in bismuth-doped AgCl crystals // Optics Letters. 2013. V. 38. № 16. P. 2965–2968.

  46. Bae B.-S., Weinberg M.C. Optical absorption of copper phosphate glasses in the visible spectrum // Journal of Non-Crystalline Solids. 1994. V. 168. № 3. P. 223–231. https://doi.org/10.1016/0022-3093(94)90333-6

  47. Zotov N., Keppler H. The influence of water on the structure of hydrous sodium tetrasilicate glasses // American Mineralogist. 1998. V. 83. № 7–8. P. 823–834.

  48. Sokolov V.O., Plotnichenko V.G., Dianov E.M. Centers of near-IR luminescence in bismuth-doped TlCl and CsI crystals // Optics Express. 2013. V. 21. № 8. P. 9324–9332.

  49. Соломонов В.И., Осипов В.В., Шитов В.А., Лукьяшин К.Е., Бубнова А.С. Собственные центры люминесценции керамических иттрий-алюминиевого граната и оксида иттрия // Оптика и спектроскопия. 2020. Т. 128. Вып. 1. С. 5–9. https://doi.org/10.21883/OS.2020.01.48831.117-19

  50. Осипов В.В., Расулева А.В., Соломонов В.И. Люминесценция оксида иттрия // Оптика и спектроскопия. 2008. Т. 105. № 4. С. 578–584.

  51. Boutinaud P. On the luminescence of Bi3+ pairs in oxidic compounds // Journal of Luminescence. 2018. V. 197. P. 228–232. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2018.01.052

  52. Boutinaud P. Revisiting the Spectroscopy of the Bi3+ Ion in Oxide Compounds // Inorganic Chemistry. 2013. Vol. 52. P. 6028–6038. https://doi.org/10.1021/ic400382k

  53. Zhou S., Jiang N., Zhu B., Yang H., Ye S., Lakshminarayana G., Hao J., Qiu J. Multifunctional Bismuth-Doped Nanoporous Silica Glass: From Blue-Green, Orange, Red, and White Light Sources to Ultra-Broadband Infrared Amplifiers // Advanced Functional Materials. 2008. V. 18. № 9. P. 1407–1413.

  54. Krishnan M.L., Neethish M.M., Kumar V.V.R.K. Structural and optical studies of rare earth-free bismuth silicate glasses for white light generation // Journal of Luminescence. 2018. V. 201. P. 442–450.

  55. Dan H.K., Phan A.-L., Ty N.M., Zhou D., Qiu J. Optical bandgaps and visible/near-infrared emissions of Bin+-doped (n = 1, 2, and 3) fluoroaluminosilicate glasses via Ag+-K+ ions exchange process // Optical Materials. 2021. Vol. 112. P. 110762/1–110762/8.

  56. Swart H.C., Kroon R.E. Ultraviolet and visible luminescence from bismuth doped materials // Optical Materials: X. 2019. V. 2. P. 100025. https://doi.org/10.1016/j.omx.2019.100025

  57. Skuja L. Optically active oxygen-deficiency-related centers in amorphous silicon dioxide // Journal of Non-Crystalline Solids. 1998. V. 239. № 1–3. P. 16–48. https://doi.org/10.1016/s0022-3093(98)00720-0

  58. Зацепин А.Ф. Статика и динамика возбужденных состояний кислородно-дефицитных центров в SiO2 // Физика твердого тела. 2010. Т. 52. Вып. 6. С. 1104–1114. [Zatsepin A.F. Statics and dynamics of excited states of oxygen-deficient centers in SiO2 // Physics of the Solid State. 2010. V. 52. № 6. P. 1176–1187. DOI: 10.1134/s1063783410060107].

  59. Hamzaoui H.El., Ouerdane Y., Bigot L., Bouwmans G., Capoen B., Boukenter A., Girard S., Bouazaoui M. Sol-gel derived ionic copper-doped microstructured optical fiber: a potential selective ultraviolet radiation dosimeter // Optics Express. 2012. V. 20. № 28. P. 29751–29760. https://doi.org/10.1364/oe.20.029751

  60. Borsella E., Vecchio A.D., Garcìa M.A., Sada C., Gonella F., Polloni R., Quaranta A., van Wilderen L.J.G.W. Copper doping of silicate glasses by the ion-exchange technique: A photoluminescence spectroscopy study // Journal of Applied Physics. 2002. V. 91. № 1. P. 90–98. https://doi.org/10.1063/1.1421241

  61. Švecová B., Vařák P., Vytykáčová S., Nekvindová P., Macková A., Malinský P., Böttger R. A study of the behaviour of copper in different types of silicate glasses implanted with Cu+ and O+ ions // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2017. V. 406. Part A. P. 193–198. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2017.03.042

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Физика и химия стекла

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал