Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny 1 Luminescencja w materiałach nieorganicznych Wykład monograficzny AJ Wojtowicz Instytut Fizyki UMK Zakład Optoelektroniki

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny 2 Wykład 12 PLAN Przejścia 4f – 5d w LuAlO 3 :Ce Spektroskopia optyczna Interpretacja w oparciu o obliczenia teoretyczne; demonstracja zgodności jakościowej i ilościowej

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny 3 WSTĘP LuAP: gęstość 8.34 g/cm 3, fotoułamek 0.3, emisja 365 nm, czas zaniku (scyntylacji) 17 ns, LY około 2xBGO Przejścia 4f – 5d (absorpcja) i 5d – 4f (emisja)

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny 4 PRÓBKI 2 piksele 2x2x10 mm, otrzymane w 2004 w Instytucie Technologii Materiałów Elektronicznych, Warszawa (grupa prof. Tadeusza Łukasiewicza) LuAlO 3 :0.07%at Ce, LuAlO 3 :0.15%at Ce Widma emisji i widma wzbudzenia emisji: Stacja Superlumi, linia – I, Hasylab, Hamburg, Niemcy (prof. Georg Zimmerer)

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny 5 LuAlO 3 :Ce, widmo luminescencji

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny 6 Widma luminescencji, podsumowanie: Dwa pasma (1600 cm -1 ) Najniższy stan d → 2 F 5/2 357 nm Najniższy stan d → 2 F 7/2 379 nm Brak struktury Mniej lub bardziej równe nat ęż enia obu pasm

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny 7 Rozdzielone w czasie widma wzbudzenia Szybka skł ns opóźniona skł ns

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny 8 Skorygowane widma wzbudzenia

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny 9 WIDMA WZBUDZENIA, podsumowanie:  Silne potrójne pasmo 2 F → T 2 dwa silne pasma (306, 295 nm), jedno słabe (276 nm) ± 2000 cm -1  Słabsze podwójne pasmo 2 F → E (226, 214 nm) ± 1200 cm -1

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny 10  Przesunięcie Stokesa~ 4700 cm -1  Dominuje pole kubiczne (O h ); 10Dq~ cm -1 słabe pole o niskiej symetrii ~ 1500 cm -1  Stosunek natężeń dwóch pasm d 2 F → T 2 / 2 F → E 12 K ~ K ~ 3.8

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny 11  Oba pasma d, T 2 i E, silnie rosną dla dłuższych długości fali z rosnącą temperaturą T  Natężenia pasm; składników pasma E; pasmo „230 nm” rośnie, pasmo „215 nm” maleje z T,  maksimum pasma „230 nm” przesuwa się w stronę dłuższych λ

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny 12 Maksima pasm E vs T

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny 13 Skorygowane widma wzbudzenia vs T

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny 14 Skorygowane widma wzbudzenia vs T

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny 15 Skorygowane widma wzbudzenia vs T

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny 16 Rozkład widm wzbudzenia vs T

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny 17 TEORIA - MODEL D.J. Robbins, YAG J. Electrochem. Soc Termicznie aktywowane przejścia z wyżej leżącego poziomu stanu podstawowego Różne momenty przejścia PRZESUNIĘCIA PASM p 1 < p 1 ’ p 1 < p 2 p 2 ’ < p 1 ’

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny 18 Obsadzenia poziomów ΔE w T

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny 19 Natężenia pasm 5d E vs T

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny 20 Natężenia pasm 5d E vs T

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny 21 Natężenie pasma „230 nm” vs T, eksperyment i teoria

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny 22 Natężenie pasma „215 nm” vs T, eksperyment i teoria

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny 23 Stosunek natężeń vs T, eksperyment i teoria

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny 24 DIAGRAM poziomów 5d Kolejność poziomów musi być zgodna z eksperymentem Γ 7, Γ 8 podwójne reprezentacje grupy O h

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny 25 DIAGRAM poziomów 4f Kolejność poziomów musi być zgodna z eksperymentem Γ 6, Γ 7, Γ 8 podwójne reprezentacje grupy O h

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny 26 Elementy macierzowe momentu przejścia (siły linii) pomiędzy stanami Γ 6, Γ 7, Γ 8 z poziomu 2 F 7/2 i stanami Γ 7, Γ 8 z 2 F 5/2 konfiguracji 4f i stanami Γ 8, Γ 7 z poziomów T 2 i E konfiguracji 5d T. Hoshina, J. Phys. Soc. Jap., 1980

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny 27 5dT 2 Γ 8 a5dT 2 Γ 8 b5dT 2 Γ 7 5dE Γ 8 a5dE Γ 8 b 4f 2 F 7/2 Γ 6 8,571325,71420,0025,714425,714 4f 2 F 7/2 Γ 8 b12,244812,244924,490218,3674 4f 2 F 7/2 Γ 8 a12,244912,24524,4918,3674 4f 2 F 7/2 Γ 7 4, ,3076,1224 4f 2 F 5/2 Γ 8 b6,802833,46962,18761,632641,6327 4f 2 F 5/2 Γ 8 a33,4696,80282,176841,63141,6326 4f 2 F 5/2 Γ 7 34,01434,01381,36058,1632

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny 28 5d T 2 5d E5dE/5dT 2 4f 2 F 5/2 Γ 8 b42, ,26531,02 4f 2 F 5/2 Γ 8 a42,448643,2641,02 4f 2 F 5/2 Γ 7 69, ,32640,24 Najniższy poziom 4f (absorpcja), opcje: 0.24 to jedyna opcja dla której T 2 ma większy udział, zgodnie z eksperymentem: 4f Γ 7 stan podstawowy

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny 29 Kolejność poziomów 5d T 2 (absorpcja), odpowiednie elementy macierzowe: Tylko stan podstawowy 4f Γ 7 oraz 5d Γ 8 poniżej Γ 7 są zgodne z dwoma silnymi i jednym słabym przejściem tworzącymi pasmo 4f 2 F 5/2 → 5d T 2 5dT 2 Γ 8 a5dT 2 Γ 8 b5dT 2 Γ 7 4f 2 F 5/2 Γ 8 b6,802833,469622, f 2 F 5/2 Γ 8 a33,4696,80282,1768 4f 2 F 5/2 Γ 7 34,01434,01381,36053

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny 30 Najniższy poziom 5d (emisja), opcje: Γ 8 a i Γ 8 b dają rozsądne wartości dla stosunków pasm 2 F 7/2 i 2 F 5/2 – Γ 8 poniżej Γ 7 4f 2 F 7/2 4f 2 F 5/2 TOTAL 5dT 2 Γ 8 a37,142674, ,4284 5dT 2 Γ 8 b54, , , dT 2 Γ 7 114,28725, , dE Γ 8 a68,571651, ,9988 5dE Γ 8 b68,571251, ,9997

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny 31 Termicznie indukowane przejścia; siły linii pomiędzy stanami 5dEΓ 8 i dwoma najniższymi poziomami 4f: 5dE Γ 8 a5dE Γ 8 b 4f 2 F 5/2 Γ 8 b1,632641,6327 4f 2 F 5/2 Γ 8 a41,63141,6326 4f 2 F 5/2 Γ 7 8,1632 p 1 /p 2 = 0.2 (eksperyment 0.15±0.02) p ’ 1 /p ’ 2 = 5 (eksperyment 7±5)

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny 32 PODSUMOWANIE Dominujące pole kubiczne i składowa niskosymetryczna określają poziomy stanu podstawowego i wzbudzonego jonu Ce 3+ w LuAP, w porządku rosnących energii: 4f 2 F 5/2 : 2 F 5/2 Γ 7, 2 F 5/2 Γ 8 a, 2 F 5/2 Γ 8 b 5d 2 D: T 2 Γ 8 a, T 2 Γ 8 b, T 2 Γ 7, EΓ 8 a, EΓ 8 b

Andrzej J. Wojtowicz wyklad monograficzny 33 Wartości elementów macierzowych momentu przejścia pomiędzy tymi stanami zgodne z obserwowanymi natężeniami przejść w emisji i absorpcji oraz ich temperaturowymi zależnościami W przeciwieństwie do YAG:Ce i BaF 2 :Ce, w LuAP, YAP i LuYAP kolejność poziomów dla stanu podstawowego i stanu wzbudzonego może wzmacniać samo-absorpcję emisji Ce; Konsekwencje dla scyntylacji dużych kryształów