Фазовый состав и оптические свойства оксинитрида алюминия, легированного железом

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

В статье приведены результаты по синтезу, фазовому составу и оптическим свойствам оксинитрида алюминия Al5O6N, легированного ионами железа в широком диапазоне концентраций: от 0.01 до 5.0 ат. % (относительно алюминия). Все образцы, полученные обжигом смесей Al2O3, AlN и Fe2O3 при температуре 1750°С в токе азота, представляют собой практически однофазный γ-AlON с незначительными примесями нитрида алюминия и неидентифицированных фаз. Ширина запрещенной зоны Eg в AlON:Fe лежит в диапазоне 5.76–5.88 эВ в зависимости от концентрации железа. Обнаружены люминесценция AlON:Fe, обусловленная собственными дефектами и примесными центрами свечения, и зависимость интенсивности люминесценции полос свечения от концентрации Fe в AlON. Присутствие железа в AlON приводит к увеличению оптического поглощения и снижению интенсивности собственной люминесценции.

Full Text

Restricted Access

About the authors

А. В. Ищенко

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина

Author for correspondence.
Email: a-v-i@mail.ru
Russian Federation, Екатеринбург

Н. С. Ахмадуллина

Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук

Email: a-v-i@mail.ru
Russian Federation, Москва

Д. А. Пастухов

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина

Email: a-v-i@mail.ru
Russian Federation, Екатеринбург

И. И. Леонидов

Институт химии твердого тела УрО Российской академии наук

Email: a-v-i@mail.ru
Russian Federation, Екатеринбург

В. П. Сиротинкин

Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук

Email: a-v-i@mail.ru
Russian Federation, Москва

А. С. Лысенков

Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук

Email: a-v-i@mail.ru
Russian Federation, Москва

О. Н. Шишилов

МИРЭА – Российский технологический университет

Email: a-v-i@mail.ru
Russian Federation, Москва

Ю. Ф. Каргин

Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук

Email: a-v-i@mail.ru
Russian Federation, Москва

References

  1. Mittal D., Hostaša J., Silvestroni L., Esposito L., Mohan A., Kumar R., Sharma S.K. Tribological Behaviour of Transparent Ceramics: A Review // J. Eur. Ceram. Soc. 2022. V. 42. № 14. P. 6303–6334. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2022.06.080
  2. Ayman M.T., Chung W.J., Lee H., Yoon D.-H. Fabrication and Photoluminescence of γ-AlON:Sm and Yb // J. Eur. Ceram. Soc. 2022. V. 42. № 4. P. 1348–1353. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.12.015
  3. Akhmadullina N.S., Lysenkov A.S., Ashmarin A.A., Baranchikov A.E., Ishchenko A.V., Yagodin V.V., Shul’gin B.V., Kargin Y.F. Synthesis and Luminescence Properties of Eu2+- and Ce3+-doped AlONs // Ceram. Int. 2016. V. 42. № 1. Рart A. P. 286–293. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2015.08.107
  4. Dong Q., Yang F., Cui J., Tian Y., Liu S., Du F., Peng J., Ye X. Enhanced Narrow Green Emission and Thermal Stability in γ-AlON: Mn2+, Mg2+ Phosphor Via Charge Compensation // Ceram. Int. 2019. V. 45. № 9. P. 11868–11875. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.03.069
  5. Jian X., Wang H., Lee M.-H.H., Tian W., Chen G.-Z.Z., Chen W.-Q.Q., Ji W.-W.W., Xu X., Yin L.-J.J. Insight the Luminescence Properties of AlON: Eu, Mg Phosphor under VUV Excitation // Materials (Basel). 2017. V. 10. № 7. P. 723. https://doi.org/10.3390/ma10070723
  6. Ахмадуллина Н.С., Шишилов О.Н., Каргин Ю.Ф. Эффекты сенсибилизации в нитридных материалах, легированных ионами редкоземельных металлов // Изв. АН Сер. хим. 2020. Т. 69. № 5. С. 825–837. https://doi.org/10.1007/s11172-020-2841-4
  7. Ахмадуллина Н.С., Ищенко А.В., Ягодин В.В., Лысенков А.С., Сиротинкин В.П., Каргин Ю.Ф., Шульгин Б.В. Синтез и люминесцентные свойства оксинитрида алюминия, легированного Tb3+ // Неорган. материалы. 2019. Т. 55. № 12. С. 1298–1304. https://doi.org/ 10.1134/S0002337X19120017
  8. Chen C.F., Yang P., King G., Tegtmeier E.L. Processing of Transparent Polycrystalline AlON:Ce3+ Scintillators // J. Am. Ceram. Soc. 2016. V. 99. № 2. P. 424–430. https://doi.org/10.1111/jace.13986
  9. Zhang L., Luo H., Zhou L., Liu Q., Li J., Zhang W. Preparation of γ‐Aluminum Oxynitride Phosphor with Eu Doping by Direct Nitridation in Ammonia and Postannealing // J. Am. Ceram. Soc. 2018. V. 101. № 8. P. 3299–3308. https://doi.org/10.1111/jace.15494
  10. Liu L., Zhang J., Wang X., Hou W., Liu X., Xu M., Yang J., Liang B. Preparation and Fluorescence Properties of a Cr3+:γ-AlON Powder by High Temperature Solid State Reaction // Mater. Lett. 2020. V. 258. P. 126811. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2019.126811
  11. Chen L., Du F., Liang Y., Zhu Y., Xiao Y., Peng J. A Study on Photoluminescence and Energy Transfer of γ-AlON:Ce3+,Eu2+ Phosphors for Application in Full-visible-spectrum LED Lighting // Displays. 2022. V. 71. P. 102147. https://doi.org/10.1016/j.displa.2021.102147
  12. Akhmadullina N.S., Ishchenko A. V., Lysenkov A.S., Shishilov O.N., Kargin Y.F. Synthesis and Luminescence Properties of Eu2+/Ce3+, Ce3+/Tb3+ and Eu2+/Tb3+ co-doped AlONs // J. Alloys Compd. 2021. V. 887. P. 161410. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.161410
  13. Zhang J., Ma C., Wen Z., Du M., Long J., Ma R., Yuan X., Li J., Cao Y. Photoluminescence and Energy Transfer Properties of Eu2+ and Tb3+ Co-doped Gamma Aluminum Oxynitride Powders // Opt. Mater. 2016. V. 58. P. 290–295. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2016.05.048
  14. Tsabit A.M., Yoon D.-H. Transparent Polycrystalline γ-AlON Fabricated Using a Hybrid Sintering Process // Scr. Mater. 2021. V. 194. P. 113715. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.113715
  15. Tsabit A.M., Yoon D.-H. Review on Transparent Polycrystalline Ceramics // J. Korean Ceram. Soc. 2022. V. 59. № 1. P. 1–24. https://doi.org/10.1007/s43207-021-00140-6
  16. Каргин Ю.Ф., Ахмадуллина Н.С., Лысенков А.С., Сиротинкин В.П., Шамрай В.Ф. Синтез и рентгеноструктурное исследование твердых растворов γ-оксонитрида алюминия // Журн. неорган. химии. 2020. Т. 65. № 9. С. 1192–1197. https://doi.org/10.31857/S0044457X20090056
  17. Ахмадуллина Н.С., Лысенков А.С., Ашмарин А.А., Каргин Ю.Ф., Ищенко А.В., Ягодин В.В., Шульгин Б.В. Влияние концентрации легирующей примеси на фазовый состав и люминесцентные свойства AlON, легированных Eu2+ и Ce3+ // Неорган. матералы 2015. Т. 51. № 5. С. 529–537. https://doi.org/ 10.7868/S0002337X15050012
  18. Ishchenko A.V., Akhmadullina N.S., Leonidov I.I., Sirotinkin V.P., Skvortsova L.G., Shishilov O.N., Zhidkov I.S., Kukharenko A.I., Kargin Y.F. Synthesis and Spectroscopic Properties of Aluminum Oxynitride Doped with 3d-metal Ions: The Case of γ-AlON:Ti // J. Alloys Compd. 2023. V. 934. P. 167792. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.167792
  19. Ishchenko A. V., Akhmadullina N.S., Leonidov I.I., Sirotinkin V.P., Skvortsova L.G., Mandrygina D.A., Shishilov O.N., Zhidkov I.S., Kukharenko A.I., Weinstein I.A., Kargin Y.F. Synthesis and Spectroscopic Properties of Aluminum Oxynitride Doped with 3d-metal Ions: the Case of γ-AlON:Co [Electronic resource] // Res. Square. 2023. P. 26. https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-3221329/v1
  20. Solomonov V.I., Michailov S.G., Lipchak A.I., Osipov V. V., Shpak V.G., Shunailov S.A., Yalandin M.I., Ulmaskulov M.R. CLAVI Pulsed Cathodoluminescence Spectroscope // Laser Phys. 2006. V. 16. № 1. P. 126–129. https://doi.org/10.1134/S1054660X06010117
  21. Хлудков С.С., Прудаев И.А., Корень Л.О., Толбанов О.П., Ивонин И.В. Нитрид алюминия, легированный атомами группы переходных металлов, как материал для спинтроники // Изв. вузов. Физика. 2020. Т. 63. № 11. С. 162–172. https://doi.org/10.17223/00213411/63/11/162
  22. Doebelin N., Kleeberg R. Profex : A Graphical User Interface for the Rietveld Refinement Program BGMN // J. Appl. Crystallogr. 2015. V. 48. № 5. P. 1573–1580. https://doi.org/10.1107/S1600576715014685
  23. Каргин Ю.Ф., Ахмадуллина Н.С., Лысенков А.С., Сиротинкин В.П., Шамрай В.Ф. Синтез и рентгеноструктурное исследование твердых растворов γ-оксонитрида алюминия // Журн. неорган. химии. 2020. Т. 65. № 9. С. 1192–1197. https://doi.org/10.31857/S0044457X20090056
  24. Guo J.J., Wang K., Fujita T., McCauley J.W., Singh J.P., Chen M.W. Nanoindentation Characterization of Deformation and Failure of Aluminum Oxynitride // Acta Mater. 2011. V. 59. № 4. P. 1671–1679. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2010.11.034
  25. Kudyakova V.S., Leonidov I.I., Chaikin D. V., Shishkin R.A., Zamyatin D.A., Weinstein I.A. Microstructure and Luminescence Properties of the High Pressure High Temperature Sintered AlN–TiN Ceramics // Ceram. Int. 2021. V. 47. № 12. P. 16876–16881. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.02.263
  26. Zheng K., Wang H., Xu P., Gu H., Tu B., Wang W., Liu S., Fu Z. Effect of Nitrogen Content on Optical Properties of Transparent γ-AlON Polycrystalline Ceramics // J. Eur. Ceram. Soc. 2021. V. 41. № 7. P. 4319–4326. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.02.047
  27. Kubelka P., Munk F. Ein eitrag zur optik der farbanstriche // Z. Tech. Phys. 1931. V. 12. P. 593–601
  28. Du X., Yao S., Jin X., Chen H., Li W., Liang B. Radiation Damage and Luminescence Properties of Gamma Aluminum Oxynitride Transparent Ceramic // J. Phys. D.: Appl. Phys. 2015. V. 48. № 34. P. 345104. https://doi.org/10.1088/0022-3727/48/34/345104
  29. Tauc J. Optical Properties and Electronic Structure of Amorphous Ge and Si // Mater. Res. Bull. 1968. V. 3. № 1. P. 37–46. https://doi.org/10.1016/0025-5408(68)90023-8
  30. Zhang X., Gao S., Li Z., Zhao H., Zeng Q. First-principles Study of the Electronic Structure and Optical Properties of Eu2+–M (M = Mn2+, Mg2+, Li+) co-Doped γ-AlON Phosphor // Ceram. Int. 2019. V. 45. № 6. P. 7778–7784. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.01.082

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Diffractograms of samples in linear (a) and logarithmic (b) scale AlON:Fe (NF1 and NF2 - unidentified phases)

Download (259KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Dependence of lattice constant of AlON phase on iron concentration

Download (31KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. CPC spectra of AlON:Fe samples with iron content of 0.01, 0.1, 1.0 and 5.0 at. %

Download (93KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Transmission (a), absorption (b) and reflection coefficient dependence at the wavelength of 400 nm of AlON:Fe samples on iron concentration (c) of AlON:Fe samples

Download (245KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Absorption spectra in Tautz coordinates (a), dependence of Eg on Fe concentration (b) of AlON:Fe samples and an example of Eg estimation for AlON:5Fe sample with spectra without correction (c) and with correction (d)

Download (264KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. ICL spectra of AlON:Fe samples (a), approximation of the experimental ICL spectrum of AlON:0.01Fe sample by four Gaussians (b) and dependences of ICL intensity (ordinate axes are marked with colour according to the colour of the graph) of luminescence bands B1, B2, B3 and B5 on Fe concentration in AlON (c)

Download (364KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences