Влияние концентрации Ce³⁺ и размеров кристаллических частиц YAG на фотолюминесценцию

Цель исследования. Определить влияние на фотолюминесценцию люминофоров из иттрий-алюминиевого граната, активированного ионами церия Ce3+, размеров его кристаллических частиц и концентрации ионов церия в них.

Методы. Проведены структурные электронно- и конфокально-микроскопические, флуоресцентные, микроспектральные с использованием в качестве источника возбуждения лазер lex =473 нм, энергодисперсионные, рентгенодифракционные исследования, а также гониофотометрические измерения по радиальному распределению силы света, возбуждаемого матрицей светодиодов.

Результаты. Проведен детальный гранулометрический анализ размеров кристаллических частиц люминофоров для двух образцов разных производителей, построены кумулятивные распределения M(d) и установлены их квантили. По результатам измерения фотолюминесценции от отдельных кристаллических частиц в составах люминофоров на основе YAG:Ce3+ в этих образцах обнаружен стоксов сдвиг: коротковолновый – для частиц с размерами менее 10 мкм и с малой концентрацией и длинноволновый – при размерах более 10 мкм с повышенной концентрацией свыше ~ 0,2%. Полученные размерно-эмиссионные зависимости микроспектральные lem(d) и энергетические Imax(d) согласовывались с описанием, построенным на основании предложенного физического механизма их формирования переходами 5d ® 2F5/2 и 5d ® 2F7/2.

Заключение. Обнаружен коротковолновый сдвиг максимумов интенсивности фотолюминесценции для кристаллических частиц менее 10 мкм, обусловленный значительным возрастанием влияния поверхностных напряжений за счет сокращения количества атомов. Для бóльших размеров частиц характерные максимумы интенсивности фотолюминесценции перестают зависеть от длины волны. Радиальное распределение силы света, определенное гониофотометрическим методом, позволило рассчитать значения светового потока 1350 лм и 1140 лм соответственно для светодиодных матриц, имеющих в составе по 8 светодиодов с исследуемыми люминофорами.

1. White light emitting diodes with super-high luminous efficacy / Y. Narukawa, M. Ichikawa, D. Sanga, M. Sano, T. Mukai // Journal of physics D: Applied physics. 2010. Vol. 43, no. 35. P. 354002.

2. Phosphors in phosphor-converted white light-emitting diodes: Recent advances in materials, techniques and properties / S. Ye, F. Xiao, Y. X. Pan, Y. Y. Ma, Q. Y. Zhang // Materials Science and Engineering: R: Reports. 2010. Vol. 71, no. 1. P. 1–34.

3. Berends A. C., van de Haar M. A., Krames M. R. YAG: Ce3+ phosphor: from micron-sized workhorse for general lighting to a bright future on the nanoscale // Chemical Reviews. 2020. Vol. 120, no. 24. P. 13461–13479.

4. Effects of particle size of raw materials on phase formation and optical properties of Ce3+-doped Y3Al5O12 phosphors / S. Akiyama, R. Moriyama, J. Tanaka, Y. Sato, M. Kakihana, H. Kato // Optical Materials. 2021. Vol. 121. P. 111549.

5. High-performance Al2O3–Ce: YAG ceramics for white LED and LD by the optimization of Ce3+ concentration / D. Zhao, Y. Tang, X. Yi, Y. Tian, J. Chen, H. Lin, S. Zhou // Optical Materials. 2020. Vol. 108. P. 110448.

6. Левшин В. Л. Фотолюминесценция жидких и твердых веществ. М.: Гостехиздат, 1951. 456 с.

7. Горячев Б. В., Могильницкий С. Б. Влияние оптических размеров дисперсной среды на выход ФЛ // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2005. Т. 308, № 5. С. 62–64.

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

9. Кузьменко А. П., Аникин Д. П., Родионов В. В. Влияние структурных свойств люминофоров на повышение индекса цветопередачи белого светодиода // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2021. Т. 11, № 3. С. 93–108.

10. Lin Y. S., Liu R. S. Chemical substitution effects of Tb3+ in YAG:Ce phosphors and enhancement of their emission intensity using flux combination // Journal of luminescence. 2007. Vol. 122. P. 580–582.

11. Synthesis of nano-sized yttrium-aluminum garnet in a continuous-flow reactor in supercritical fluids / T. Chudoba, E. Lester, W. Łojkowski, M. Poliakoff, J. Li, E. Grzanka, A. Presz // Zeitschrift für Naturforschung B. 2008. Vol. 63, no. 6. P. 756–764.

12. Ueda J., Tanabe S. Review of luminescent properties of Ce3+-doped garnet phosphors: New insight into the effect of crystal and electronic structure // Optical Materials: X. 2019. Vol. 1. P. 100018.

13. Effects of local structure of Ce3+ ions on luminescent properties of Y3Al5O12: Ce nanoparticles / X. He, X. Liu, R. Li, B. Yang, K. Yu, M. Zeng, R. Yu // Scientific reports. 2016. Vol. 6, no. 1. P. 22238.

14. Particle size effects on yttrium aluminum garnet (YAG) phase formation by solid-state reaction E. R. Kupp, S. Kochawattana, S. H. Lee, S. Misture, G. L. Messing // Journal of Materials Research. 2014. Vol. 29, no. 19. P. 2303–2311.

15. Гоулдстейн Д., Яковиц Х. Практическая растровая электронная микроскопия. М.: Мир, 1978. 656 c.

16. Bachmann V., Ronda C., Meijerink A. Temperature quenching of yellow Ce3+ luminescence in YAG: Ce // Chemistry of Materials. 2009. Vol. 21, no. 10. P. 2077–2084.

17. Ce3+-based phosphors for blue LED excitation / A. A. Setlur, A. M. Srivastava, H. A. Comanzo, G. Chandran, H. Aiyer, M. V. Shankar, S. E. Weaver // Third International Conference on Solid State Lighting. 2004. Vol. 5187. P. 142–149.

18. Liu X., Wang X., Wang Z. Selectively excited emission and Tb3+→ Ce3+ energy transfer in yttrium aluminum garnet // Physical Review B. 1989. Vol. 39, no. 15. P. 10633.

19. Cerium substitution in yttrium iron garnet: valence state, structure, and energetics / X. Guo, A. H. Tavakoli, S. Sutton, R. K. Kukkadapu, L. Qi, A. Lanzirotti, M. Newville, M. Asta, A. Navrotsky // Chemistry of Materials. 2014. Vol. 26, no. 2. P. 1133–1143.

20. Лукьяшин К. Е., Ищенко А. В. Синтез и оптические свойства керамики YAG: Ce с высокой концентрацией церия // Журнал неорганической химии. 2021. Т. 66, № 8. С. 1099–1107.

21. Fabrication, optical and scintillation properties of transparent YAG: Ce ceramics / V. V. Osipov, A. V. Ishchenko, V. A. Shitov, R. N. Maksimov, K. E. Lukyashin, V. V. Platonov, A. N. Orlov, S. N. Osipov, V. V. Yagodin, L. V. Viktorov, B. V. Shulgin // Optical Materials. 2017. Vol. 71. P. 98–102.

22. Enhanced photoluminescence property of sulfate ions modified YAG: Ce3+ phosphor by co-precipitation method / Q. U. E. Meidan, Q. U. E. Wenxiu, Z. Ting, S. Jinyou, K. O. N. G. Lingbing // Journal of Rare Earths. 2017. Vol. 35, no. 3. P. 217–222.