Неорганические материалы, 2020, T. 56, № 10, стр. 1100-1106

Фотолюминесценция европийсодержащих композиций на основе фторированных оксидов иттрия и алюминия

В. П. Смагин 1*, А. П. Худяков 1

1 Алтайский государственный университет
656049 Барнаул, пр. Ленина, 61, Россия

* E-mail: smaginV@yandex.ru

Поступила в редакцию 04.03.2020
После доработки 08.06.2020
Принята к публикации 10.06.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Композиции синтезированы термическим разложением смеси трифторацетатов иттрия, европия и нитрата алюминия, выделенной из среды малополярного этилацетата. Методами колебательной и электронной спектроскопии, рентгенофазового анализа и сканирующей электронной микроскопии установлены зависимости состава, структуры и люминесценции композиций от состава предшественников и температуры синтеза. Показано, что основными фазами композиций в различных пропорциях являются (Y1 –хEux)F3, (Y1 –хEux)OF и смешанный оксид (Y1 –хEux)2O3 ⋅ Al2O3. В зависимости от доли атомов фтора в составе европийсодержащих активаторных центров и под влиянием ионов алюминия зарегистрированы изменения относительной интенсивности полос в спектрах люминесценции и возбуждения люминесценции, мультиплетности 5D07F1, 2, 4 электронных переходов до максимальных значений, энергии расщепления наиболее интенсивных компонент 5D07F2-электронного перехода, эффективности преобразования энергии фононов оксидной матрицы в люминесцентное излучение. Полученные результаты позволяют синтезировать композиции с прогнозируемыми спектральными характеристиками.

Ключевые слова: неводный синтез, фторированные алюмоиттриевые композиции, лантаноиды, европий, люминесценция

ВВЕДЕНИЕ

Оптическая керамика, монокристаллы и стекла на основе оксидов иттрия и алюминия входят в состав многих оптоэлектронных устройств. Оксиды иттрия и алюминия характеризуются высокой прозрачностью в видимой и ИК-области спектра, удовлетворительными термооптическими и механическими свойствами. Они образуют ряд твердых растворов. В оптике уже многие годы применяются их легированные фазы со структурой граната и перовскита. Несмотря на широкое применение, новые пути синтеза и свойства люминесцирующих лантанидсодержащих иттрий-алюминиевых оксидных композиций в настоящее время являются предметом многочисленных исследований [112].

В композициях на основе Y2O3 ионы Ln3+, замещая ионы Y3+, занимают позиции с симметрией C2 и С3i. Они отличаются расположением вакансий иона O2– в окружении катиона, расположенного в центре куба. Теоретически 24 катиона Ln3+ находятся в активаторных центрах с симметрией С2 и 8 – в центрах с симметрией С3i. Отклонения от теоретического соотношения С2/С3i = 3 могут быть вызваны искажением кристаллической структуры, которое связано с различием радиусов ионов Ln3+ и Y3+, внедрением в состав активаторных центров “чужих” атомов и другими факторами [1316]. Активаторные центры различной симметрии отличаются оптическими характеристиками. В центрах с симметрией С2 лантаноиды характеризуются большей вероятностью излучательных переходов [13].

Фторирование оксидных композиций является одним из способов влияния на оптические свойства. В зависимости от температуры и времени синтеза, а также от состава прекурсоров и концентрации фторирующего агента образуются смеси, содержащие фториды, оксиды и оксифториды составов MOF, MnOn – 1Fn + 2 и их нестехиометрические производные. При выборе соответствующих условий получают индивидуальные фазы, а также активированные структуры ядро/оболочка [17]. Атомы фтора, замещая кислород в узлах кристаллической решетки и внедряясь в междоузлия, входят в состав активаторных центров. Это приводит к изменению энергии кристаллического поля и увеличению эффективности преобразования энергии [18]. Повышается вероятность обменных процессов между активаторными центрами при соактивировании композиций [18, 19]. Кроме того, выход люминесценции увеличивается в результате уменьшения энергии фононов фторидной матрицы по сравнению с оксидной [20].

На первой стадии синтеза композиций получают их предшественники в виде порошков заданных состава, формы и размера частиц [13, 21]. Для их синтеза широко применяются золь–гель-технологии [13, 2227]. Преимущественно синтез проводят в водной среде с последующим отжигом продуктов при высоких температурах, которые зачастую превышают 1300°С [22, 2426, 28, 29]. В качестве исходных веществ применяются соли азотной, угольной, уксусной кислот [13, 14, 26, 30]. Для введения фтора используется фторид аммония [31]. Водный синтез предшественников приводит к образованию в составе композиций O–H-групп, тушащих люминесценцию ионов лантаноидов, высокой температуре синтеза, увеличивающей кристалличность и размер частиц [14], неравномерному распределения ионов Ln3+ в матрице.

В ранних работах [16, 32, 33] нами приведены результаты синтеза композиций на основе оксида и оксифторидов иттрия из смеси предшественников, выделенных перед прокаливанием из среды этилацетата (ЭА), относящегося к группе малополярных органических растворителей, не смешивающихся с водой. В качестве исходных солей были применены трифторацетаты металлов. Использование ЭА минимизировало участие молекул воды в процессе синтеза композиций. Применение фторсодержащих солей уксусной кислоты позволило подготовить для прокаливания высококонцентрированные гелеобразные составы, а также исключило введение в исходные смеси фторсодержащих реагентов. В зависимости от условий синтеза получены интенсивно люминесцирующие композиции сложного состава в ряду (Y1 – xEux)F3–(Y1 – xEux)2O3. Компоненты композиций образовывали кристаллы размером 40–150 нм [34]. Вхождение атомов фтора в оксидные активаторные центры отражалось на спектрах люминесценции и возбуждения люминесценции композиций [16, 3234].

Цель данной работы состояла в изучении влияния состава исходных компонентов и температуры синтеза на фотолюминесценцию европийсодержащих композиций на основе фторированных оксидов иттрия и алюминия, синтезированных без использования воды на стадии приготовления термически разлагаемых смесей предшественников.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Синтез композиций проведен в две стадии, по методике [16]. На первой стадии синтеза навески трифторацетатов иттрия и европия растворяли в ЭА (“х. ч.”) с образованием истинного раствора, в раствор вводили навеску нитрата алюминия (Al(NO3)3 ⋅ 9H2O, “x. ч.”). Количество трифторацетата европия рассчитывали исходя из содержания ионов Eu3+ в конечном продукте, равного 1.0, 5.0 и 10 ат. % от содержания ионов иттрия. Навеску нитрата алюминия рассчитывали исходя из количества ионов Al3+ в конечном продукте, эквивалентного количеству ионов Y3+ (Y3+ : Al3+ = 1 : 1). Раствор нагревали до кипения. При комнатной температуре растворитель испаряли до образования вязкой гелеобразной массы. На второй стадии синтеза образовавшиеся продукты помещали в муфельную печь и нагревали на воздухе при температурах 600, 800 и 900°С в течение 4 ч. После нагревания были получены белые кристаллические порошки.

ИК-спектры веществ зарегистрированы на ИК-Фурье-спектрометре Infralum FT 801 в диапазоне 4000–500 см–1, таблетки с KBr. Рентгенофазовый анализ (РФА) выполнен на рентгеновском дифрактометре XRD-6000 с использованием баз данных PCPDFWIN и программы полнопрофильного анализа POWDER CELL 2.4. Электронные фотографии поверхности порошков зарегистрированы на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) VEGA3 TESCAN. Спектры возбуждения и люминесценции зарегистрированы при комнатной температуре на спектрофлуориметре Shimadzu RF-5301PC. Для регистрации спектров композиций, содержащих 10 ат. % ионов Eu3+, в ряде случаев, был применен режим “низкая чувствительность детектора”. Образцы для исследования помещали в кварцевую кювету.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В ИК-спектрах композиций зарегистрированы малоинтенсивные полосы в области волновых чисел 1600–1000 см–1. Они связаны с остаточными С=О, С–О- и С–F-связями на поверхности частиц [30]. Наличие в спектрах низкочастотных полос (<1000 см–1) объясняется колебаниями связей Y–F, Al–O и Y–O в образовавшихся фторидах, оксифторидах и оксидах. В отличие от [16, 33] данные полосы хорошо разрешены, особенно в спектрах композиций, синтезированных при температуре 900°С. Появление структуры полос является свидетельством роста кристалличности продуктов с более однородной структурой [14]. Отметим практически полное отсутствие поглощения О–Н-групп при волновых числах >3000 см–1 в ИК-спектрах композиций, синтезированных в течение 4 ч при температурах 800 и 900°С. Это является следствием исключения воды как растворителя исходных веществ при приготовлении термически разлагаемых предшественников. В ИК-спектрах композиций, синтезированных при t < 600°С, поглощение в данной области связано с гидроксоформами продуктов, образующимися при разложении кристаллогидратов солей [16, 32, 35]. Для уменьшения его интенсивности требуется увеличение времени температурной стадии синтеза.

На электронных фотографиях поверхности порошков, зарегистрированных в прямом (рис. 1а) и отраженном (рис. 1б) потоках электронов, наблюдаются агломерированные структуры длиной до 2 мкм, образованные сферическими частицами диаметром в несколько десятков нанометров.

Рис. 1.

Электронные микрофотографии поверхности порошка, полученного из исходной смеси Y(CF3COO)3 + + Al(NO3)3 + ЭА в прямом (а) и отраженном (б) потоках электронов: t = 800°C, τ = 4 ч.

По данным РФА (рис. 2), преобладающей фазой в продуктах, полученных при температуре 600°С, является (Y1 –xEux)F3 (ромбическая сингония, пр. гр. Рnma; параметры решетки, Å: а = = 6.365, b = 6.861, с = 4.400; Z = 4; объем элементарной ячейки 192.18 Å3; плотность 5.043 г/см3). Также присутствует фаза (Y1 –xEux)OF (гексагональная сингония, пр. гр. $R{\bar {3}}m;$ параметры решетки, Å: а = b = 3.801, с = 18.849; Z = 6; объем элементарной ячейки 235.83 Å3; плотность 5.235 г/см3). В пределах погрешности метода зарегистрирована фаза Eu(OH)3 (гексагональная сингония, пр. гр. P63/m; параметры решетки, Å: а = b = 6.328, с = = 3.704; Z = 2; объем элементарной ячейки 128.45 Å3). Образование Eu(OH)3 связано с молекулами воды в составе исходных солей, приводящими при термическом разложении трифторацетатов лантанидов к образованию гидроксоформ продуктов [35].

Рис. 2.

Рентгенограмма (а) композиции и штрих-рентгенограммы (б) преобладающих компонентов композиции: СEu = 5.0 ат. %, t = 600°С, τ = 4 ч.

Увеличение линейных размеров (параметр с) и объема элементарных ячеек, а также плотности соединений при введении ионов Eu3+ подтверждает их внедрение в кристаллическую структуру фторида и оксифторида иттрия. Самостоятельная фаза оксида алюминия не зарегистрирована. Это, вероятно, связано с образованием смешанного фторида иттрия-алюминия, также отражающимся на кристаллографических характеристиках фторида иттрия.

В спектрах люминесценции композиций (600°С, 4 ч) наблюдается ряд характерных для ионов Eu3+ узких полос, связанных с 5D0,17Fj-переходами 4f-электронов в основное электронное состояние (рис. 3). В отличие от результатов, полученных для композиций, не содержащих ионов Al3+ [16, 32, 33], наиболее интенсивной в спектрах фотолюминесценции является полоса магнитно-дипольного 5D07F1-электронного перехода. Разрешенными и интенсивными являются ее компоненты с максимумами 588 и 594 нм. Третья компонента проявляется в виде ступени на восходящей ветви полосы в области 586 нм (рис. 3). Она исчезает в спектрах композиций, содержащих 5.0 и 10 ат. % ионов Eu3+. Это связано с уширением полос в результате искажения кристаллической структуры при увеличении концентрации ионов Eu3+.

Рис. 3.

Спектры люминесценции (λв = 394 нм) композиций, синтезированных из исходных смесей Y(CF3COO)3 + + Al(NO3)3 + Eu(CF3COO)3 + ЭА с концентрацией ионов Eu3+, равной 1.0, 5.0 и 10 ат. %, t = 600°С, τ = 4 ч.

Максимумы дублетной полосы сверхчувствительного электро-дипольного 5D07F2-перехода находятся при 616 и 618 нм. Введение алюминия в состав композиций привело к уменьшению энергии штарковского расщепления 7F2-подуровня ионов Eu3+. Максимумы соответствующих компонент в спектре люминесценции разделяют 2 нм. В то время как в спектрах люминесценции композиций, не содержащих ионов Al3+, их расщепление превышает 9 нм [32, 33]. Увеличение энергии расщепления подуровня связывают с образованием оксифторидов [31], доля которых в составе данной композиции, на наш взгляд, под влиянием ионов Al3+, не высока (рис. 2). Также, учитывая сильную зависимость интенсивности полосы 5D07F2-электронного перехода от симметрии окружения ионов Eu3+ и зарегистрированное соотношение интенсивностей полос I594 > I616 (рис. 3), отмечаем достаточно равномерное распределение ионов Eu3+ в матрице с преобладанием более симметричных активаторных центров. Подтверждением этого является рост интенсивности люминесценции композиций с увеличением в их составе концентрации ионов Eu3+.

В спектрах возбуждения люминесценции композиций наблюдается серия узких полос, связанных с переходами 4f-электронов ионов Eu3+ в возбужденные электронные состояния. Наиболее интенсивной является полоса 7F05L6-электронного перехода (λmax = 394 нм). Полосы в области меньше 300 нм, связанные с переносом колебательной энергии оксоанионных групп кислородсодержащей матрицы на уровни ионов Eu3+ [18], а также с переходом электрона с полностью заполненной 2р-орбитали ионов O2– на частично заполненную 4f-орбиталь ионов Eu3+ (Eu3+→O2–-переход) [11, 36], имеют крайне низкую интенсивность. Этот результат соответствует данным РФА о преобладании в составе композиции фторидной фазы. Полоса 7F05D2-электронного перехода (λmax = = 466 нм), интенсивно проявляющаяся в спектрах активированного ионами Eu3+ оксифторида иттрия [18], также является малоинтенсивной.

Результаты исследования композиций, синтезированных при температуре 800°С (4 ч), приведены в работе [37]. На основании РФА (табл. 1, рис. 4) сделан вывод о том, что преобладающими фазами в их составе являются смешанный европийсодержащий оксид иттрия-алюминия ((Y1 – хEuх)2O3 ⋅ Al2O3) и оксифторид (Y1 – хEuх)OF. При увеличении концентрации ионов Eu3+ увеличиваются линейные размеры и объемы элементарных ячеек фаз, образованных ионами европия (Eu2O3 и EuOF, табл. 1). Линейные размеры иттриевых фаз (YOF и Y2O3) увеличиваются при увеличении концентрации ионов Eu3+ до 5.0 ат. %. Далее они практически не изменяются или уменьшаются. Объем элементарных ячеек иттриевых фаз уменьшается. При этом плотность иттриевых фаз увеличивается, а европиевых уменьшается. Наблюдаемые изменения параметров, происходящие с увеличением в составе композиций концентрации ионов Eu3+, можно объяснить образованием смеси продуктов с взаимным распределением ионов иттрия и европия в европиевых и иттрий-алюминиевых оксидных и оксифторидных фазах. Присутствие в составе композиции, как и в предыдущем случае (600°С, 4 ч), фазы Eu(OH)3 в пределах погрешности метода показывает участие молекул воды, введенных в смеси в составе исходных веществ, в процессе формирования фазового состава продуктов, полученных при относительно низких температурах. В отличие от [32, 33], в присутствии ионов Al3+ фазы оксифторидов состава YnOn – 1Fn + 2 в композициях не зарегистрированы. Самостоятельная фаза Al2O3 также не выявлена. Аморфная фаза в составе продуктов отсутствует. При увеличении в составе композиции концентрации ионов Eu3+ 1.0–5.0–10 ат. % (800°С, 4 ч) массовая доля оксидной фазы увеличивается. Процентное соотношение фаз (Y1 – хEuх)2O3 ⋅ Al2O3 и (Y1 – хEuх)OF, соответственно увеличению концентрации ионов Eu3+, изменяется: (77 и 23 мас. %)–(80 и 20 мас. %)–(94 и 6 мас. %).

Таблица 1.  

Результаты РФА продуктов, синтезированных термическим разложением исходных смесей Y(CF3COO)3 + Al(NO3)3 + Eu(CF3COO)3 + ЭА, СEu = 1.0, 5.0, 10 ат. %; t = 800°С, τ = 4 ч

Фаза a, b, c, Å α, β, γ, град V, Å3 Z ρ, г/см3 Номер карточки (ICDD (PDF-2/Release 2012 RDB)
состав (содержание, %) соединение (пр. гр.)
(Y1 – хEuх)2O3 ⋅ Al2O3
(77, 80, 94)
[3.7]*
Y2O3
($Ia{\bar {3}},$ куб.)
1.0 ат. %: 10.56, 10.56, 10.56;
5.0 ат. %: 10.59, 10.59, 10.59;
10 ат. %:     10.58, 10.58, 10.58
             10.43, 10.43, 10.43*
90, 90, 90 1178,
1189,
1185
1134*
16 5.092,
5.046,
5.062
5.289*
01-089-5592
Eu2O3
($Ia{\bar {3}},$ куб.)
1.0 ат. %:   –   –   –
5.0 ат. %: 10.84, 10.84, 10.84;
10 ат. %:     11.00, 11.00, 11.00
             10.89, 10.89, 10.89*
90, 90, 90 –,   1275, 1333     1293* 16 –,
  7.332, 7.015     7.231*
00-034-0392
β-Al2O3 ⋅ 3H2O 00-001-0307
(Y1 –хEuх)OF
(23, 20, 6)
[96.3]*
YOF
($R{\bar {3}}m,$ гекс.)
1.0 ат. %:   3.820, 3.820, 19.04;
5.0 ат. %:   3.793, 3.793, 19.14;
10 ат. %:  3.740, 3.740, 18.87        3.802, 3.802, 18.90*
90, 90 ,120 240.6,
238.5,
228.6
236.7*
6 5.132,
5.175,
5.400
5.216*
01-071-2100
EuOF
($R{\bar {3}}m,$ гекс.)
1.0 ат. %: 3.822, 3.822, 19.04;
5.0 ат. %: 3.879, 3.879, 19.31;
10 ат. %:     3.892, 3.892, 19.39
       3.855, 3.855, 19.26*
90, 90, 120 240.8,
251.6,
254.3
247.9*
6 7.736,
7.403,
7.324
7.513*
00-026-0636
Eu(OH)3
Eu(OH)3
(R63/m, гекс.)
1.0 ат. %: 6.345, 6.345, 3.695;
5.0 ат. %: 6.388, 6.388, 3.571;
10 ат. %:    6.349, 6.349, 3.645
      6.336, 6.336, 3.586*
90, 90, 120 128.8,
126.2,
127.3
124.7*
00-018-0504

* CEu = 5 ат. %, t = 900°С, τ = 4 ч.

Рис. 4.

Рентгенограмма (а) композиции и штрих-рентгенограммы (б) компонентов композиции: СEu = 5.0 ат. %, t = 800°С, τ = 4 ч.

Наиболее значимые отличия в спектрах люминесценции композиций, выявленные при увеличении температуры синтеза (600°С, 4 ч → 800°С, 4 ч), заключаются в увеличении интенсивности полосы 5D07F2-электронного перехода и последовательности изменения соотношения интенсивностей полос I614/I594: 2.9 → 1 → 2.4, где I614 – интенсивность наиболее интенсивной компоненты полосы 5D07F2-электронного перехода, I594 – интенсивность наиболее интенсивной компоненты полосы 5D07F1-электронного перехода, при изменении концентрации ионов Eu3+ в составе композиции: 1.0 → 5.0 → 10 ат. % [37]. Близость этого соотношения при концентрации ионов Eu3+ 1.0 ат. % к трем (2.9) соответствует данным РФА и полученным ранее результатам [16, 32, 33], указывающим на преобладание оксидной фазы. Ионы Eu3+ занимают в ней позиции, соответствующие С2- и С3i-симметрии окружения, в отношении, близком к теоретическому (3) [38]. Наблюдается достаточно равномерное распределение ионов Eu3+ в кристаллической структуре. Выравнивание интенсивностей полос (I614/I594 = 1) можно объяснить изменением симметрии симметрии активаторных центров при увеличении концентрации ионов Eu3+ до 5 ат. %. Это связано с образованием оксидной фазы сложного состава. Методом РФА зарегистрированы фазы активированного оксида иттрия (Y1 – хEuх)2O3 ⋅ Al2O3 и оксида европия (Eu1 – xYх)2O3. Подтверждением их образования являются фазы Y2O3 и Eu2O3 с искаженными кристаллографическими характеристиками (табл. 1). При дальнейшем увеличении концентрации ионов Eu3+ их доля в центрах с симметрией С2 увеличивается. Симметрия активаторных центров вследствие концентрационного фактора и несовпадения радиусов катионов понижается. Относительная интенсивность полосы 5D07F2-электронного перехода увеличивается (I614 > I594).

В спектрах возбуждения люминесценции композиций (800°С, 4 ч) увеличивается интенсивность полосы 7F05D2-электронного перехода (466 нм) и полос в области 530 нм (7F05D1- и 7F15D1-электронные переходы) (рис. 5, [37]). Также зарегистрирована широкая сложная полоса, связанная с переносом колебательной энергии оксоанионных групп (<300 нм) и переходами 2р-электронов ионов O2– на 4f-орбиталь ионов Eu3+ (проявляется в диапазоне 225–280 нм с максимумом в области 256 нм) [11, 18, 36]. Возбуждение в эту полосу многократно увеличивает интенсивность люминесценции композиций [32]. Перераспределение интенсивностей отдельных компонент данной полосы связано с внедрением атомов фтора в состав активаторных центров при увеличении их концентрации, что соответствует увеличению концентрации трифторацетата европия в исходных реакционных смесях (1.0 → 5.0 → 10 ат. % Eu3+). На присутствие фазы оксифторидов также указывает наличие длинноволновой компоненты этой сложной полосы в области длин волн 290–320 нм [18]. С увеличением концентрации ионов Eu3+ наиболее интенсивной становится полоса с максимумом 466 нм (7F05D2). Отметим, что неоднородное уширение полосы в области >500 нм, наблюдавшееся в спектрах 1 и 2 (рис. 5), уменьшается (рис. 5, спектр 3). Уменьшение объясняем увеличением однородности структуры фторсодержащих продуктов при увеличении концентрации атомов фтора в их составе.

Рис. 5.

Спектры возбуждения люминесценции (λл = 615 нм) композиций, синтезированных из исходных смесей Y(CF3COO)3 + Al(NO3)3 + Eu(CF3COO)3 + ЭА, концентрация ионов Eu3+ равна 1.0, 5.0 и 10 ат. % (зарегистрирован при настройке прибора “низкая чувствительность детектора”): t = 800°С, τ = 4 ч [37].

По данным РФА (рис. 6), при дальнейшем увеличении температуры синтеза до 900°С относительное процентное содержание оксидной фазы (Y1 – хEuх)2O3 ⋅ Al2O3 оказывается равным 3.7 мас. %, а фазы оксифторида (Y1 – хEuх)OF увеличивается до 96.3 мас. % (табл. 1). Этот результат соответствует данным работы [18], в которой отмечено преобладание в составе продуктов фазы оксифторида иттрия при температурах синтеза, превышающих 800°С.

Рис. 6.

Рентгенограмма (а) композиции и штрих-рентгенограммы (б) компонентов композиции: СEu = 5.0 ат. %, t = 900°С, τ = 4 ч.

В спектрах люминесценции композиций (900°С, 4 ч) появляется выраженная структура полос (рис. 7). Полоса 5D07F1-электронного перехода проявляется в максимальной мультиплетности с максимумами 588, 592 и 599 нм. Из пяти возможных компонент полосы 5D07F2-электронного перехода зарегистрировано четыре: с максимумами 612, 613 нм (ступень на ниспадающей ветви полосы), 615 и 630 нм. Полоса 5D07F4-электронного перехода также является триплетной с максимумами компонент 695, 703 и 715 нм. С увеличением концентрации ионов Eu3+ до 5 ат. % интенсивность данной полосы перераспределяется в пользу длинноволновой компоненты.

Рис. 7.

Спектры люминесценции (λв = 394 нм) композиций, синтезированных из исходных смесей Y(CF3COO)3 + + Al(NO3)3 + Eu(CF3COO)3 + ЭА с концентрацией ионов Eu3+ 1.0, 5.0 и 10 ат. % (зарегистрирован при настройке прибора “низкая чувствительность детектора”): t = 900°С, τ = 4 ч.

С достаточно большой интенсивностью проявляется полоса 5D07F0-электронного перехода с максимумом в области 580 нм (рис. 7). Увеличение интенсивности данной полосы происходит при увеличении асимметрии активаторных центров [18, 31]. Такие центры могут быть сформированы в фазе оксифторида иттрия. Все сигналы у основания являются неоднородно уширенными. Наблюдающаяся спектральная картина соответствует сложному составу композиций, с дефектностью структуры фторсодержащих фаз, обусловленной присутствием ионов Al3+, и незавершенностью формирования активаторных центров в течение выбранного времени синтеза при данной температуре.

С увеличением концентрации ионов Eu3+ интенсивность полос в спектрах возбуждения люминесценции композиций (900°С, 4 ч) увеличивается (рис. 8). Наиболее интенсивными являются полосы, соответствующие электронным переходам 7F15D1 (537 нм) и 7F05D2 (466 нм). Изменение соотношения интенсивностей полос связано с формированием в их составе активаторных центров с большой долей атомов фтора [18, 31]. Это подтверждается изменением спектральной картины в области длин волн меньше 320 нм. Оно связано с изменением колебательной энергии оксоанионной матрицы при увеличении количества атомов фтора в составе активаторных центров [18].

Рис. 8.

Спектры возбуждения люминесценции (λл = 612 нм) композиций, синтезированных из исходных смесей Y(CF3COO)3 + Al(NO3)3 + Eu(CF3COO)3 + ЭА, концентрация ионов Eu3+ равна 1.0 (1), 5.0 (2) и 10 ат. % (3): t = 900°С, τ = 4 ч.

На рис. 9 приведены спектры люминесценции композиций, содержащих 10 ат. % ионов Eu3+, синтезированных при температурах 600, 800 и 900°С. Для композиций с наибольшей концентрацией ионов европия подтверждаются приведенные выше сведения об изменении спектров люминесценции при изменении температуры синтеза на стадии разложения выделенной из ЭА смеси предшественников. Эти изменения связаны с изменением состава и структуры матрицы при различной температуре синтеза композиций с увеличением в составе исходной реакционной смеси концентрации фторсодержащего компонента.

Рис. 9.

Спектры люминесценции (λв = 394 нм) композиций, синтезированных из исходных смесей Y(CF3COO)3 + + Al(NO3)3 + Eu(CF3COO)3 + ЭА при температурах 600 (1), 800 (2) и 900°С (зарегистрирован при настройке при-бора “низкая чувствительность детектора”) (3): СEu = 10 ат. %, τ = 4 ч.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Термическим разложением предшественников, подготовленных на основе трифторацетатов иттрия и европия, нитрата алюминия и этилацетата в качестве растворителя, получены люминесцирующие композиции фторидов, оксифторида и оксидов иттрия и алюминия. В результате применения солей трифторуксусной кислоты из исходных смесей исключен фторсодержащий реагент и при более низких температурах синтезированы композиции с предсказуемыми составом и структурой фаз, характеризующиеся равномерным распределением активаторов. В результате применения несмешивающегося с водой малополярного этилацетата уменьшено негативное влияние молекул воды и образующихся гидроксоформ на люминесценцию композиций.

Показано, что внедрение в состав композиций атомов фтора и алюминия, а также температурные условия синтеза прогнозируемо отражаются на соотношениях интенсивностей полос люминесценции магнитно-дипольного 5D0 → → 7F1- и сверхчувствительного электродипольного 5D07F2-электронных переходов, мультиплетности 5D07F1, 2, 4 электронных переходов, энергии расщепления наиболее интенсивных компонент 5D07F2-электронного перехода, структуре и распределении интенсивности полос в спектрах возбуждения люминесценции, а также на эффективности преобразования энергии фононных колебаний оксидной матрицы в люминесцентное излучение.

Зарегистрированные спектральные изменения подчеркивают влияние предшественников и условий синтеза на состав и структуру активаторных центров, определяющих симметрию окружения ионов Eu3+ и действующую на них энергию кристаллического поля. Они указывают на возможность применения данного синтеза для получения композиций с прогнозируемыми спектральными характеристиками.

Список литературы

  1. Ikesue A., Aung Y.L., Taira T. et al. Progress in Ceramic Lasers // Ann. Rev. Mater. Res. 2006. V. 36. P. 397–429. https://doi.org/10.1146/annurev.matsci.36.011205.152926

  2. Maciel Glauco S., Rakov N., Zanon R.A. de S. et al. Red Photoluminescence in NdAlO3 Crystalline Ceramic Powders Prepared by Combustion Synthesis // Chem. Phys. Lett. 2008. V. 465. P. 258–260. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2008.09.062

  3. Иванов М.Г., Копылов Ю.Л., Кравченко В.Б. и др. Лазерная керамика ИАГ и Y2O3 из неагломерированных наноразмерных порошков // Неорган. материалы. 2014. Т. 50. № 9. С. 1028–1036. https://doi.org/10.7868/S0002337X14090048

  4. Cabello-Guzmán G., González D., Caro-Díaz C. et al. Preliminary Evaluation of the Up-Conversion Emission of Y2O3:Er-Yb Thin Films Prepared by a Solid State Photochemical Deposition Method // J. Lumin. 2018. V. 204. P. 401–409. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2018.08.034

  5. Yang T., Xiang Q., Feng L. et al. Yttrium-Based Metal-Organic Frameworks: Controllable Synthesis, Growth Mechanism and the Phase Transformation to Y2O3:Eu3+ Phosphors // J. Lumin. 2019. V. 214. Article number: 116567. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2019.116567

  6. Yin D., Wang J., Tang D. et al. Fabrication and Microstructural Characterizations of Lasing Grade Nd:Y2O3 Ceramics // J. Am. Ceram. Soc. 2019. V. 102. № 12. P. 7462–7468. https://doi.org/10.1111/jace.16671

  7. Pavasaryte L., Katelnikovas A., Momot A. et al. Eu3+-Doped Ln3Al5O12 (Ln = Er, Tm, Yb, Lu) Garnets: Synthesis, Characterization and Investigation of Structural and Luminescence Properties // J. Lumin. 2019. V. 212. P. 14–22. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2019.04.005

  8. Boyarintseva Y., Neicheva S., Zhmurin P. et al. Optical Study of Y3 –xGdxAl5O12:Ce Crystals Grown From the Melt // Opt. Mater. 2019. V. 96. Article number: 109283 https://doi.org/10.1016/j.optmat.2019.109283

  9. Jiang N., Zhao Y., Ge L. et al. Fabrication and Kw-Level Mopa Laser Output of Planar Waveguide YAG/Yb:YAG/YAG Ceramic Slab // J. Am. Ceram. Soc. 2019. V. 102. № 4. P. 1758–1767. https://doi.org/10.1111/jace.16040

  10. Jusza A., Piramidowicz R., Lipińska L. et al. Short Wavelength Emission Properties of Tm3+ and Tm3++Yb3+ Doped LaAlO3 Nanocrystals and Polymer Composites // Opt. Mater. 2019. V. 97. P. 109365. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2019.109365

  11. Ćirć A., Stojadinović S. Structural and Photoluminescence Properties of Y2O3 and Y2O3:Ln3+ (Ln = Eu, Er, Ho) Films Synthesized by Plasma Electrolytic Oxidation of Yttrium Substrate // J. Lumin. 2020. V. 217. Article number: 116762. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2019.116762

  12. Panahibakhsh S., Bahramian R., Jaberi M., Jelvani S. Control of Defects and Their Luminescence Properties in Nd:YAG Crystals by Laser Irradiation // J. Lumin. 2020. V. 218. Article number: 116813. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2019.116813

  13. Back M., Massari A., Boffelli M. et al. Optical Investigation of Tb3+-Doped Y2O3 Nanocrystals Prepared by Pechini-Type Sol-Gel Process // J. Nanopart Res. 2012. V. 14. Article number: 792. https://doi.org/10.1007/s11051-012-0792-x

  14. Помелова Т.А., Баковец В.В., Корольков И.В. и др. Об аномальной эффективности люминесценции субмикронного фосфора Y2O3:Eu3+ // ФТТ. 2014. Т. 56. № 12. С. 2410–2419.

  15. Antic B., Rogan J., Kremenovic A. et al. Optimization of Photoluminescence of Y2O3:Eu and Gd2O3:Eu Phosphors Synthesized by Thermolysis of 2,4-Pentanedione Complexes // Nanotechnology. 2010. V. 21. № 24. Article number: 245702. https://doi.org/10.1088/0957-4484/21/24/245702

  16. Смагин В.П., Худяков А.П. Влияние условий синтеза на люминесценцию европийсодержащих композиций на основе оксида и оксифторидов иттрия // Неорган. материалы. 2019. Т. 55. № 1. С. 67–79. https://doi.org/10.1134/S0002337X19010147

  17. Tian Y., Chen B., Hua R. et al. Fabrication and Luminescent Enhancement of Eu3+-Doped Y2O3@YOF Core–Shell Nanocrystals // J. Nanosci Nanotechnol. 2011. V. 11. № 11. P. 9631–9635. https://doi.org/10.1166/jnn.2011.5312

  18. Уклеина И.Ю. Дис. … канд. хим. наук. Ставрополь: СтГУ, 2005. 158 с.

  19. Кузнецов С.В., Осико В.В., Ткаченко Е.А., Федоров П.П. Неорганические нанофториды и композиты на их основе // Успехи химии. 2006. Т. 75. № 12. С. 1193–1211.

  20. Rakov N., Maciel G.S. Comparative Study of Er3+ and Tm3+ Co-Doped YOF and Y2O3 Powders as Red Spectrally Pure Up-Converters // Opt. Mater. 2013. № 35. P. 2372–2375. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2013.06.037

  21. Коломиец Т.Ю., Тельнова Г.Б., Ашмарин А.А. и др. Синтез и спекание субмикронных частиц ИАГ:Nd, полученных из карбонатных прекурсоров // Неорган. материалы. 2017. Т. 53. № 8. С. 890–899. https://doi.org/10.7868/S0002337X17080152

  22. Zhang J., Zhang Z., Tang Z. et al. Luminescent Properties of Y2O3:Eu Synthesized by Sol–Gel Processing // J. Mater.s Proc. Technol. 2002. V. 121. № 2–3. P. 265–268. https://doi.org/10.1016/S0924-0136(01)01263-8

  23. Chong M.K., Pita K., Kam C.H. Photoluminescence of Y2O3:Eu3+ thin Film Phosphors by Sol–Gel Deposition and Rapid Thermal Annealing // J. Phys. Chem. Solids. 2005. V. 66. № 1. P. 213–217. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2004.09.016

  24. Cho J.Y., Ko K.Y., Do Y.R. Optical Properties of Sol–Gel Derived Y2O3:Eu3+ Thin-Film Phosphors for Display Applications // Thin Solid Films. 2007. V. 515. № 7–8. P. 3373–3379. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2006.09.029

  25. Garskaite E., Lindgren M., Einarsrud M.-A., Grande T. Luminescent Properties of Rare Earth (Er, Yb) Doped Yttrium Aluminium Garnet thin Filmsand Bulk Samples Synthesized by an Aqueous Sol-Gel Technique // J. Eur. Ceram. Soc. 2010. V. 30. № 7. P. 1707–1715. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2010.01.001

  26. Михайлов М.Д., Семенча А.В., Колесников И.Е., Маньшина А.А. Исследование структуры и люминесцентных свойств наночастиц YAG:Eu // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 4. С. 335–343.

  27. Mamonova D.V., Kolesnikov I.E., Manshina A.A. et al. Modified Pechini Method for the Synthesis of Weakly-Agglomerated Nanocrystalline Yttrium Aluminum Garnet (YAG) Powders // Mater. Chem. Phys. 2017. V. 189. P. 245–251. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2016.12.025

  28. Anh T.K., Benalloul P., Barthou Ch. et al. Luminescence, Energy Transfer, and Upconversion Mechanisms of Y2O3 Nanomaterials Doped with Eu3+, Tb3+, Tm3+, Er3+, and Yb3+ Ions // J. Nanomater. 2007. V. 2007. Article ID 48247. P. 1–11. https://doi.org/10.1155/2007/48247

  29. Kopylov Yu.L., Kravchenko V.B., Komarov A.A. et al. Nd:Y2O3 Nanopowders for Laser Ceramics // Opt. Mater. 2007. V. 29. № 10. P. 1236–1239. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2006.06.018

  30. Wen T., Luo W., Wang Y. et al. Multicolour and Up-Conversion Fluorescence of Lanthanide Doped Vernier Phase Yttrium Oxyfluoride Nanocrystals // J. Mater. Chem. C. 2013. V. 1. № 10. P. 1995–2001. https://doi.org/10.1039/c3tc00642e

  31. Rakov N., Guimarãaes R.B., Lozano B.W., Maciel G.S. Structural and Spectroscopic Analyses of Europium Doped Yttrium Oxyfluoride Powders Prepared by Combustion Synthesis // J. Appl. Phys. 2013. V. 114. Article number: 043517. https://doi.org/10.1063/1.4816623

  32. Смагин В.П., Еремина Н.С., Мичуева З.В. Синтез и спектрально-люминесцентные свойства композиций (Y2O3–YOF):Ln(III) // Неорган. материалы. 2017. Т. 53. № 8. С. 851–860. https://doi.org/10.7868/S0002337X17080103

  33. Смагин В.П., Худяков А.П., Еремина Н.С. Синтез и люминесценция европийсодержащих композиций на основе оксида и оксифторидов иттрия // Журн. неорган. химии. 2018. Т. 63. № 11. С. 1404–1413. https://doi.org/10.1134/S0044457X18110193

  34. Худяков А.П., Смагин В.П., Стручева Н.Е., Затонская Л.В. Неводный синтез и люминесценция композиций (YF3–Y2O3):Eu3+ // Ползуновский вестн. 2019. № 2. С. 106–112. https://doi.org/10.25712/ASTU.2072-8921.2019.02.021

  35. Белый В.И., Расторгуев А.А., Ремова А.А. и др. Изомерия в димере тригидрата трифторацетата тербия(III) // Журн. структур. химии. 2002. Т. 43. № 4. С. 634–641.

  36. Alarćon-Flores G., García-Hipólito M., Aguilar-Frutis M. et al. Synthesis and Fabrication of Y2O3:Tb3+ and Y2O3:Eu3+ thin Films for Electroluminescent Applications: Optical and Structural Characteristics // Mater. Chem. Phys. 2015. V. 149–150. P. 34–42. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2014.09.020

  37. Смагин В.П., Худяков А.П., Бирюков А.А. Люминесценция ионов Eu3+ в матрице фторированной алюмоиттриевой композиции // ФТТ. 2020. Т. 62. № 2. С. 274–280.

  38. Манаширов О.Я., Зверева Е.М., Воробьев В.А. Сравнительное исследование различных классов люминофоров, активированных ионами Yb3+, при ИК возбуждении // Вестн. Южного науч. центра РАН. 2012. Т. 8. С. 38–49.

Дополнительные материалы отсутствуют.