Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

1

Luminescencja w materiałach nieorganicznych

Wykład monograficzny

AJ Wojtowicz

Instytut Fizyki UMKZakład Optoelektroniki

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

2

WYKŁAD 2

PLAN

Jak wzbudzić jon aktywatora? (absorpcja);

przykłady rodzajów przejść, wąskie i szerokie pasma,

sprzężenie elektron – matryca

Jony metali przejściowych jako aktywatory

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

3

Y2O3:Eu3+

Pasmo absorpcji własnej matrycy

pasmo CT w UVostre linie charakterystyczne

dla Eu3+

Blasse, Grabmaier, rys. 2.1

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

4

YF3:Eu3+

nie ma pasma absorpcji własnej matrycy

pasmo CT w VUVwidoczne pasmo przejść f-d

Blasse, Grabmaier, rys. 2.6

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

5

Wzbudzenie poprzez matrycę (HL – host lattice peak, przejście pomiędzy

pasmem przewodnictwa i walencyjnym)

Przejście charge transfer (CT)

Przejścia f – d

Przejścia f – f

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

6

Jon Re3+ w matrycy

H = Hjon + Hjon-matryca + Hmatryca

Hjon

Hjon zawiera

Vcryst(q,Q0)

energia potencjalna elektronu aktywatora w polu

elektrycznym sąsiednich jonów

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

7

Hjon-matryca

=przybliżenie

liniowe, najprostsze;

możliwe kolejne przybliżenia

...Q

QQ,qV

Q,qVQ,qV cryst0crystcryst

kQ

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

8

Hmatryca

oscylator harmoniczny

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

9

Całkowita energia centrum

sprzężonego z matrycą

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

10

Dlaczego przejścia elektronowe w jonie

aktywatora dają (czasami) szerokie

pasma?

Diagram konfiguracyjny

Inne położenie równowagi w stanie

wzb.Blasse, Grabmaier, rys. 2.3

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

11

Prawdopodobieństwo przejścia

Moment przejścia

<wzb.,osc|qr|podst.,osc><wzb.|qr|podst.> <osc|

osc>

Funkcje oscylacyjne pokazano na rysunku

(dla stanu podst. i wzb.)

Blasse, Grabmaier, rys. 2.4

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

12

Prawdopodobieństwo przejścia będzie

funkcją energii jak pokazano obok dla

absorpcji

Blasse, Grabmaier, rys. 2.5

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

13

Izolatory: wiązanie jonowe, duża przerwa energii wzbr.,

silna lokalizacja nośników ładunku

Półprzewodniki: wiązanie kowalencyjne (najlepiej w materiale

jednoskładnikowym np. Si, czy Ge), mała przerwa energii wzbr.,

słaba lokalizacja nośników ładunku

Efekt nefelauksetyczny: przesunięcie pasma absorpcji spowodowane zmianami charakteru wiązania od

jonowego do kowalencyjnego

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

14

Efekt nefelauksetyczny:

przejście charge transfer na jonie Eu3+

w różnych materiałach:YPO4 – 45000 cm-1 YOF – 43000 cm-1 Y2O3 – 41700 cm-1

LaPO4 – 37000 cm-1 La2O3 – 33700 cm-1 LaOCl – 33300 cm-1 Y2O2S – 30000 cm-1

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

15

Efekt nefelauksetyczny:

Jon Gd3+ przejście 8S → 6P7/2 w różnych materiałach:

LaF3 – 32196 cm-1 LaCl3 – 32120 cm-1 LaBr3 – 32096 cm-1

Gd3Ga5O12 – 31925 cm-1 GdAlO3 – 31923 cm-1

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

16

Efekt nefelauksetyczny:

Jon s2 (Bi3+) przejście 1S0 → 3P1 w różnych materiałach:

YPO4 – 43000 cm-1 YBO3 – 38500 cm-1 ScBO3 – 35100 cm-1 La2O3 – 32500 cm-1 Y2O3 – 30100 cm-1

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

17

Jony metali przejściowychjako aktywatory luminescencji

(niewypełniona powłoka 3d gwarantuje nisko leżące stany wzbudzone)

konfiguracja [Ar]4s2, 3dn

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

18

Metale przejściowew układzie okresowym

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

19

Jony metali przejściowych

konfiguracja dn

widma – ostre linie i szerokie pasma

Diagramy Tanabe-Sugano:zależność energii elektronowej od parametru Dq czyli współrzędnej

konfiguracyjnej Q lub R

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

20

Diagram Tanabe-Sugano:

Ti3+ konfiguracja d1

5 orbitali d,

w polu kryst. kub.

orbitale t (3x) iorbitale (2x)

Blasse, Grabmaier, rys. 2.8

Dq(octa) = -9/4Dq(tetra) = -9/8Dq(cubic)

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

21

Widmo absorpcji: Ti3+

widoczne przejście 2T2 – 2E

i przejście CT w UV

CT

t → e

Blasse, Grabmaier, rys. 2.11

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

22

Diagram Tanabe-Sugano:

Cr3+

konfiguracja d3

Konfiguracje silno-polowe

t3, t2e, te2, e3

10Dq, 20Dq, 30Dq

Blasse, Grabmaier, rys. 2.9

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

23

Widmo absorpcji: Cr3+ w tlenku Y2O3

widoczne szerokie spinowo-dozwolone pasmaBlasse, Grabmaier, rys. 2.12

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

24

Diagram Tanabe-Sugano:

Mn3+

konfiguracja d5

Blasse, Grabmaier, rys. 2.10

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny

25

Widmo absorpcji: Mn3+ w MnF2

widoczne wąskie i szerokie pasmaBlasse, Grabmaier, rys. 2.13