Влияние соотношения Bi/Y на люминесцентные свойства висмутсодержащих композиционных материалов на основе силикатных пористых стекол

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

Синтезированы висмутсодержащие композиционные материалы с переменным содержанием оксида иттрия путем пропитки матриц из силикатных пористых стекол в подкисленных водно-солевых растворах Bi(NO3)3∙5H2O в присутствии Y(NO3)3·6H2O с их последующей тепловой обработкой при 650°C или 870°C и исследованы их люминесцентные свойства. Установлено, что синтезированные материалы обладают фотолюминесценцией в широком спектральном диапазоне (230–900 нм) благодаря присутствию различных активных центров (=Si0, Y3+–O32–, Si-ВАЦ (висмутовые активные центры, ассоциированные с кремнием), радикалы , Bi3+, Bi2+ ионы, Bi3+ пары, кремнекислородные дефекты), а также благодаря переходу Bi3+ → Y3+ MMCT (metal-to-metal charge transfer), вследствие чего могут рассматриваться в качестве новых перспективных неорганических люминофоров.

Full Text

Restricted Access

About the authors

М. А. Гирсова

Институт химии силикатов имени И. В. Гребенщикова РАН

Author for correspondence.
Email: girsovama@yandex.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург

И. Н. Анфимова

Институт химии силикатов имени И. В. Гребенщикова РАН

Email: girsovama@yandex.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург

Л. Н. Куриленко

Институт химии силикатов имени И. В. Гребенщикова РАН

Email: girsovama@yandex.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург

Т. В. Антропова

Институт химии силикатов имени И. В. Гребенщикова РАН

Email: girsovama@yandex.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург

References

  1. Swart H. C., Kroon R. E. Ultraviolet and visible luminescence from bismuth doped materials // Optical Materials: X. 2019. V. 2, article 100025, pp. 1–22.
  2. Hughes M. A., Suzuki T., Ohishi Y. Spectroscopy of bismuth-doped lead–aluminum–germanate glass and yttrium–aluminum–silicate glass // Journal of Non-Crystalline Solids. 2010. V. 356. N44–49. P. 2302–2309.
  3. 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. N5. P. 418–421.
  4. 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. N1. P. 94–104.
  5. Фирстов С. В., Гирсова М. А., Дианов Е. М., Антропова Т. В. Люминесцентные свойства термоиндуцированных активных центров в кварцоидных стеклах, активированных висмутом // Физ. и хим. стекла. 2014. Т. 40. № 5. С. 689–695. [Firstov S. V., Girsova M. A., Dianov E. M., Antropova T. V. Luminescent properties of thermoinduced active centers in quarts-like glass activated by bismuth // Glass Physics and Chemistry. 2014. V. 40. N5. P. 521–525].
  6. Гирсова М. А., Фирстов С. В., Антропова Т. В. Влияние концентрации висмута и тепловой обработки на свойства висмут-содержащих высококремнеземных стекол. II. Люминесцентные свойства // Физика и химия стекла. 2019. Т. 45. № 2. С. 111–119.
  7. [Girsova M. A., Firstov S. V., Antropova T. V. The influence of the bismuth concentration and heat treatment on the properties of bismuth-containing high-silica glass: II. Luminescence properties // Glass Physics and Chemistry. 2019. V. 45. N2. P. 98–103].
  8. 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. N7, article 2050036, pp. 1–7.
  9. Черненко К. А. Люминесцентные и сцинтилляционные процессы в оксидных матрицах / Дисс. канд. физ.-мат. наук. Санкт-Петербург, 2016. 150 с. С. 35–37, 97–130.
  10. Choi H., Cho S. H., Khan S., Lee K.-R., Kim S. Roles of an oxygen Frenkel pair in the photoluminescence of Bi3+-doped Y2O3: computational predictions and experimental verifications // J. Mater. Chem. C. 2014. V. 2. P. 6017–6024.
  11. Meng L., Xu W., Zhang Q. Optical and structural properties of down-conversion Bi doped Y2O3 films for potential application in solar cell // Applied Surface Science. 2017. V. 409. P. 187–193.
  12. Nambu K., Hayasaka H., Yamamoto T., Yoshida H. Photoluminescence properties of undoped and Si4+-doped polycrystalline Y2O3 phosphors prepared by flash-sintering // Applied Physics Express. 2019. V. 12. N7, article 075504, pp. 1–4.
  13. Zatsepin A., Kuznetsova Y., Zatsepin D., Wong C.-H., Law W.-C., Tang C.-Y., Gavrilov N. Exciton Luminescence and Optical Properties of Nanocrystalline Cubic Y2O3 Films Prepared by Reactive Magnetron Sputtering // Nanomaterials. 2022. V. 12, article 2726, pp. 1–14.
  14. Chiechio R. M., Battaglia R., Caponnetto A., Butera E., Franzò G., Reitano R., Purrello M., Ragusa M., Barbagallo D., Barbagallo C., Pietro C. D., Marchi V., Faro M. J.L., Contino A., Maccarrone G., Musumeci P. Er: Y2O3 and Nd: Y2O3 Nanoparticles: Synthesis, Pegylation, Characterization and Study of Their Luminescence Properties // Chemosensors. 2023. V. 11, article 20, pp. 1–14.
  15. Hyun J.-Y., Kim K.-H., Kim J.-P., Im W.-B., Linganna K., Choi J.-H. Enhancement of Luminescence Efficiency of Y2O3 Nanophosphor via Core/Shell Structure // Nanomaterials. 2021. V. 11, article 1563, pp. 1–11.
  16. Lee E., Terblans J. J., Swart H. C. The effect of pH on the luminescence properties of Y2O3: Bi phosphor powders synthesised using co-precipitation // Vacuum. 2018. V. 157. P. 237–242.
  17. Dan H. K., Le D.-N., Nguyen-Truong H.T., Tap T. D., Vinh H. X., Ty N. M., Wang R., Zhou D., Qiu J. Effects of Y3+ on the enhancement NIR emission of Bi+-Er3+ co-doped in transparent silicate glass-ceramics for Erbium-doped fiber amplifier (EDFA) // Journal of Luminescence. 2020. V. 219, article 116942.
  18. Scarangella A., Reitano R., Priolo F., Miritello M. Bismuth doping of silicon compatible thin films for telecommunications and visible light emitting devices // Materials Science in Semiconductor Processing. 2019. V. 92. P. 47–57.
  19. Yousif A., Jafer R. M., Som S., Duvenhage M. M., Coetsee E., Swart H. C. The effect of different annealing temperatures on the structure and luminescence properties of Y2O3: Bi3+ thin films fabricated by spin coating // Applied Surface Science. 2016. V. 365. P. 93–98.
  20. 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, article 17325, pp. 1–9.
  21. Kang F., Zhang Y., Peng M. Controlling the energy transfer via multi luminescent centers to achieve white light/tunable emissions in a single-phased X2-Type Y2SiO5: Eu3+, Bi3+ phosphor for ultraviolet converted LEDs // Inorganic Chemistry. 2015. V. 54. P. 1462–1473.
  22. Saeed N. A.M., Coetsee E., Kroon R. E., Bettinelli M., Swart H. C. Photoluminescence of Bi3+ doped in YOF phosphor as an activator // Optical Materials. 2021. V. 119, article 111291, pp. 1–11.
  23. 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, article 208, pp. 1–53.
  24. Liu X., Deng H., Yao W., Jiang Q., Shen J. Preparation and photocatalytic activity of Y-doped Bi2O3 // Journal of Alloys and Compounds. 2015. V. 651. P. 135–142.
  25. 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.
  26. Shanmugapriya I. G., Mukherjee S., Muñoz A., Vaitheeswaran G., Natarajan S. Exploration of Metal-Metal Charge Transfer (MMCT) and its Effect in Generating New Colored Compounds in Mixed Metal Oxides // European J. of Inorganic Chemistry. 2023. V. 26. N34, article e202300468.
  27. Dey S., Ricciardo R. A., Cuthbert H. L., Woodward P. M. Metal-to-Metal Charge Transfer in AWO4 (A = Mg, Mn, Co, Ni, Cu, or Zn) Compounds with the Wolframite Structure // Inorg. Chem. 2014. V. 53. P. 4394–4399.
  28. Boutinaud P. On the luminescence of Bi3+ pairs in oxidic compounds // Journal of Luminescence. 2018. V. 197. P. 228–232.
  29. Srivastava A. M., Camardello S. J. Concentration dependence of the Bi3+ luminescence in LnPO4 (Ln=Y3+, Lu3+) // Optical Materials. 2015. V. 39. P. 130–133.
  30. Андреефф А., Каун Л. П., Фрауенхейм Т., Липпольд Б., Матц В. Изучение эффектов кристаллического поля в интерметаллических редкоземельных соединениях методом неупругого рассеяния нейтронов // Физика элементарных частиц и атомного ядра. 1981. Т. 12. Вып. 2. С. 277–323. [Andreeff A., Kaun L. P., Frauenheim T., Lippold B., Matz W. Study of effects of the crystal field in intermetallic rare-earth compounds by inelastic neutron scattering // Soviet Journal of Particles and Nuclei. 1981. V. 12. N2. P. 277–323].
  31. Волков Д. В., Демидов А. А., Колмакова Н. П., Такунов Л. В. Эффекты кристаллического поля в редкоземельных ферроборатах R Fe3(BO3)4, где R = Nd, Tb, Dy, Er // Физика твердого тела. 2008. Т. 50. Вып. 9. С. 1613–1616. [Volkov D. V., Demidov A. A., Kolmakova N. P., Takunov L. V. Crystal field effects in rare-earth ferroborates R Fe3(BO3)4 with R = Nd, Tb, Dy, or Er // Physics of the Solid State. 2008. V. 50. N9. P. 1677–1680].
  32. Гирсова М. А., Головина Г. Ф., Куриленко Л. Н., Анфимова И. Н. Спектральные свойства наноструктурированных композиционных стекломатериалов, активированных иттрием в присутствии меди либо висмута // Физика и химия стекла. 2023. Т. 49. № 6. С. 619–631. [Girsova M. A., Golovina G. F., Kurilenko L. N., Anfimova I. N. Spectral properties of nanostructured composite glass materials activated by yttrium in the presence of copper or bismuth // Glass Physics and Chemistry. 2023. V. 49. N6. P. 625–634].
  33. 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. [Girsova M. A., Golovina G. F., Anfimova I. N., Kurilenko L. N., Antropova T. V. Effect of the Bi/Y Ratio on the Spectral Properties of Bismuth-Containing Composite Materials Based on Silicate Porous Glasses // Glass Physics and Chemistry. 2022. V. 48. N5. P. 384–393].
  34. 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. [Girsova M. A., Golovina G. F., Kurilenko L. N. Infrared spectroscopy of composite materials based on high-silica porous glasses activated by bismuth and yttrium ions // Glass Physics and Chemistry. 2022. V. 48. N6. P. 588–593].
  35. Antropova T. V., Drozdova I. A. Sintering of the optical porous glasses // Optica Applicata. 2003. V. 33. N1. P. 13–22.
  36. Гирсова М. А., Куриленко Л. Н., Анфимова И. Н., Антропова Т. В. Люминесцентные свойства композиционных материалов на основе пористых стекол, активированных серебром и лантаном // Физика и химия стекла. 2023. Т. 49. № 6. С. 597–605. [Girsova M. A., Kurilenko L. N., Anfimova I. N., Antropova T. V. Luminescent properties of composite materials based on porous glasses activated by silver and lanthanum // Glass Physics and Chemistry. 2023. V. 49. N6. P. 557–563].
  37. Awater R. H.P., Niemeijer-Berghuijs LC., Dorenbos P. Luminescence and charge carrier trapping in YPO4: Bi // Optical Materials. 2017. V. 66. P. 351–355.
  38. 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. [Solomonov V. I., Osipov V. V., Shitov V. A., Luk’yashin K.E., Bubnova A. S. Intrinsic Luminescence Centers in Yttrium–Aluminum Garnet and Yttrium Oxide Ceramics // Optics and Spectroscopy. 2020. V. 128. N1. P. 1–5.].
  39. Konrad A., Herr U., Tidecks R., Kummer F., Samwer K. Luminescence of bulk and nanocrystalline cubic yttria // Journal of Applied Physics. 2001. V. 90. N7. P. 3516–3523.
  40. Jafer R. M., Coetsee E., Yousif A., Kroon R. E., Ntwaeaborwa O. M., Swart H. C. X-ray photoelectron spectroscopy and luminescent properties of Y2O3: Bi3+ phosphor // Applied Surface Science. 2015. V. 332. P. 198–204.
  41. Sokolov V. O., Sulimov V. B. Theory of Twofold Coordinated Silicon and Germanium Atoms in Solid Silicon Dioxide // Phys. Stat. Sol. B. 1994. Vol. 186. N3. P. 185–198.
  42. 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.
  43. Garcı́a M., Paje S., Villegas M., Llopis J. Characteristic UV luminescence from sol–gel silica coatings // Materials Letters. 2000. V. 43. P. 23–26.
  44. López J. A.L., López J. C., Valerdi D. E.V., Salgado G. G., Díaz-Becerril T., Pedraza A. P., Gracia F. J.F. Morphological, compositional, structural, and optical properties of Si-nc embedded in SiOx films // Nanoscale Research Letters. 2012. V. 7. N1, article 604, pp. 1–10.
  45. Gong-Ru L., Chung-Jung L., Chi-Kuan L., Li-Jen C., Yu-Lun C. Oxygen defect and Si nanocrystal dependent white-light and near-infrared electroluminescence of Si-implanted and plasma-enhanced chemical-vapor deposition-grown Si-rich SiO2 // Journal of Applied Physics. 2005. V. 97, article 094306, pp. 1–8.
  46. 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. 160059/1–160059/12.
  47. Miller A. J., Leisure R. G., Mashkov V. A., Galeener F. L. Dominant role of E’ centers in x-ray-induced, visible luminescence in high-purity amorphous silicas // Physical Review B. 1996. V. 53. N14. P. R8818– R8820.
  48. Осипов В. В., Расулева А. В., Соломонов В. И. Люминесценция оксида иттрия // Оптика и спектроскопия. 2008. Т. 105. № 4. С. 578–584. [Osipov V. V., Rasuleva A. V., Solomonov V. I. Luminescence of Pure Yttria // Optics and Spectroscopy. 2008. V. 105. N4. P. 524–530].
  49. Gui S. C.R., Imakita K., Fujii M., Bai Z., Hayashi S. Near infrared photoluminescence from bismuth-doped nanoporous silica thin films // Journal of Applied Physics. 2013. V. 114. N3. P. 033524/1–033524/5.
  50. Kenyon A. J., Trwoga P. F., Pitt C. W. The origin of photoluminescence from thin films of silicon-rich silica // Journal of Applied Physics. 1996. V. 79. N12. P. 9291–9300.
  51. Skuja L. Optically active oxygen-deficiency-related centers in amorphous silicon dioxide. // Journal of Non-Crystalline Solids. 1998. Vol. 239. N1–3. P. 16–48.
  52. Huang H., Sun X., Wang S., Liu Y., Li X., Liu J., Lee S.-T. Strong red emission of pure Y2O3 nanoparticles from oxygen related defects // Dalton Transactions. 2011. V. 40. N43. P. 11362–11366.
  53. Бордун О. М. Влияние кислородных вакансий на спектры люминесценции тонких пленок Y2O3 // Журнал прикладной спектроскопии. 2002. Т. 69. № 3. С. 371–374. [Bordun O. M. Influence of oxygen vacancies on the luminescence spectra of Y2O3 thin films // Journal of Applied Spectroscopy. 2002. V. 69. N3. P. 430–433].
  54. Veber A., Cicconi M. R., Puri A., de Ligny D. Optical Properties and Bismuth Redox in Bi-Doped High-Silica Al–Si Glasses // The Journal of Physical Chemistry C. 2018. V. 122. P. 19777–19792.
  55. Ren J., Dong G., Xu S., Bao R., Qiu J. Inhomogeneous Broadening, Luminescence Origin and Optical Amplification in Bismuth-Doped Glass // The Journal of Physical Chemistry A. 2008. V. 112. N14. P. 3036–3039.
  56. Fujimoto Y., Nakatsuka M. Infrared Luminescence from Bismuth-Doped Silica Glass // Japanese Journal of Applied Physics. 2001. V. 40. Part 2. N3B. P. L279–L281.
  57. Firstov S. V., Khopin V. F., Bufetov I. A., Firstova E. G., Guryanov A. N., Dianov E. M. Combined excitation-emission spectroscopy of bismuth active centers in optical fibers // Optics Express. 2011. V. 19. N20. P. 19551–19561.
  58. Индутный И. З., Михайловская Е. В., Шепелявый П. Е., Данько В. А. Видимая фотолюминесценция селективно травленных пористых nc-Si-SiOx-структур // Физика и техника полупроводников. 2010. Т. 44. Вып. 2. С. 218–222. [Indutnyi I. Z., Michailovska E. V., Shepeliavyi P. E., Dan’ko V. A. Visible photoluminescence of selectively etched porous nc-Si-SiOx structures // Semiconductors. 2010. V. 44. N2. P. 206–210].
  59. Rong Gui S. C., Imakita K., Fujii M., Bai Z., Hayashi S. Luminescence properties of Bi-doped oxidized porous silicon thin films // Optical Materials. 2012. V. 34. N7. P. 1161–1164.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. EMF spectrum (centre part) of 10Bi/Y CM samples at 650°C

Download (70KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Luminescence spectra of Bi/Y CM heat-treated at 870°C as a function of excitation wavelength: (a, b) 200, (c) 280, (d-e) 330 nm

Download (161KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Luminescence spectra of 10Bi/Y CM heat-treated at 650°C as a function of excitation wavelength: (a) 200, (b) 280, (c) 330 nm

Download (97KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Luminescence spectra (at λvozb = 330 nm) of 10Bi/Y CM heat-treated at 870°C in the spectral ranges of 350-550 nm (a) and 700-900 (b, c)

Download (90KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Luminescence spectra (at λvozb = 350 nm) of CM 10Bi/Y (a, c, d) and CM Bi/Y (b, e, f) as a function of heat treatment regime: (a, b) 650°C, (c-e) 870°C

Download (156KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Luminescence spectra (at λvozb = 514 nm) of CM 10Bi/Y (a-d) and CM Bi/Y (e-h) as a function of heat treatment regime: (a, b, d, e, f) 650°C, (c, d, g, h) 870°C

Download (192KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Luminescence spectra (at λvozb = 370 nm) of Bi/Y CMs as a function of heat treatment regime: (a) 650°C, (b-d) 870°C

Download (115KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Luminescence spectra of Bi/Y CM heat-treated at 870°C as a function of excitation wavelength: (a-c) 220, (d-e) 300 nm

Download (170KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Luminescence excitation spectrum of Bi/Y CM heat-treated at 870°C, at λlum = 770 nm

Download (44KB)
Indexing metadata
11. Scheme 1

Download (7KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences