Luminescence properties of Cerium in Yttrium silicate

Abstract

Yttrium silicate(Y_(2)SiO_(5))는 다양한 희토류 원소들이 발광을 내기 위한 좋은 host matrix로 잘 알려져 있다. ^(3, l6, 25) 본 연구에서는 Ce^(3+) 이온과 Tb^(3+) 이온, 그리고 Ce^(3+)과 Tb^(3+)을 같이 혼입한 Y_(2)SiO_(5) 분말과 박막을 각각 졸-겔 방법과metallorganic decomposition 방법으로 제조하여 그들의 분광학적 특성과 Ce^(3+) 에서 Tb^(3+) 으로의 에너지 전달을 고찰하였다. 1100℃ 에서 3 시간 동안 구운 분말은 X_(1)타입의 Y_(2)SiO_(5) 결정성을 보였으며 구형에 가까운 형태로 수 마이크로의 입자 크기를 나타내었다. 박막 또한 같은 조건에서 구운 후 X_(1-)Y_(2)SiO_(5)구조를 보였으며 밀도가 높고 깨짐이 없는 것이 관찰되었다. Ce^(3+) 이온의 형광 스펙트럼에서는 5d 들뜬 상태의 가장 낮은 에너지 준위로부터 4f 바닥 상태로의 전이에 기인한 넓은 band 가 430 ㎚에서 관찰되었다. Y_(2-x)Ce_(x)SiO_(5) 분말에서 Ce^(3+)이온의 형광 세기는 혼입된 Ce^(3+) 이온의 농도가 증가함에 따라 강해졌으며 혼입제의 농도가 x = 0.12일 때 가장 강했다. 하지만 분말 제조시 사용된 CeO_(2)의 Ce^(4+) 이온이 Ce^(3+)으로 완전히 환원되지 않아 형광 세기가 약하게 나타났다. 이는 분말 제조시 소결 단계에서 환원대기를 사용하지 않은 것에 기인한 결과이다. 박막에서의 Ce^(3+) 이온의 형광 세기는 분말에서보다 매우 강했으며 박막의 두께가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였다. Ce^(3+) 이온과 Tb^(3+)이온 간의 상호작용을 이해하기 위해서 Ce^(3+)과 Tb^(3+)이 같이 혼입된 Y_(2)SiO_(5):Ce, Tb 의 형광 스펙트럼을 Ce^(3+) 만 혼입된 Y_(2)SiO_(5):Ce 의 스펙트럼과 비교하였다. Y_(1)_(9-x) Ce_(x) Tb_(0)_(1)SiO_(5)의 경우, 430 ㎚ 에서의 Ce^(3+) 이온의 형광 세기가 감소하는 반면에 Tb^(3+) 이온의 형광 세기가 증가하였으며, Ce^(3+) 의 lifetime 또한 감소하였다. 이러한 결과들로 살펴볼 때, Ce^(3+)의 380㎚ - 520㎚에 걸친 형광 band 와 Tb^(3+)의 384㎚와 493㎚에서의 f-f 흡수 peak들의 겹침에 의한 Ce^(3+)에서 Tb^(3+)에로의 비복사성 에너지 전달이 일어났음을 알 수 있었다. 혼입된 이온들의 농도가 매우 낮으므로 들뜬 상태에서 두 이온들 간에는 쌍극자-쌍극자 상호 작용, 즉 Fo¨rster 에너지 전달이 일어났다고 할 수 있으며, Y_(2)SiO_(5) 바대 내에 불균일하게 분포된 Ce^(3+) 과 Tb^(3+) 이온들이 Y^(3+)자리에 치환되어 3 ㎚ 정도의 쌍극자-쌍극자 에너지 전달 거리 ^(33) 안에서 pair를 이루는 것을 알 수 있었다.;Yttrium silicate (Y_(2)SiO_(5)) is a well-known luminescent host material for various rare-earth activators.^(3,6,25) In this study, Ce^(3+)-, Tb^(3+)- and Ce^(3+)/Tb^(3+)-doped Y_(2)SiO_(5) phosphor particles and thin films were synthesized by sol-gel technique and by metallorganic decomposition method, respectively. Besides, their luminescent properties and energy transfer from Ce^(3+) to Tb^(3+) were also investigated. The particles sintered at 1100℃ for 3 hours had a clear crystallity of X_(1)- Y_(2)SiO_(5) and had almost spherical morphology and are submicrometer in size. After annealing at 1100℃, dense and crack-free thin films also appeared to have the structure of X_(1)- Y_(2)SiO_(5). The emission spectrum of Ce^(3+)contained a broad band with a maximum at 430 nm which is ascribed to the transitions from the lowest crystal field components of 5d excited state to 4f ground state on the Ce^(3+). The emission intensity of Ce^(3+) increased from a doping concentration of x = 0.01 to 0.12 at which the highest brightness was obtained in Y_(2-x)Ce_(X)SiO_(5) powder. However, the intensity was weak since not all Ce^(4+) in CeO_(2) added were reduced to Ce^(3+) because of the lack of a reducing atmosphere. The emission intensity of Ce^(3+) in thin films was much stronger than that in powder and was enhanced with increasing film thickness. The emission spectra of Y_(2)SiO_(5):Ce, Tb codoped system were compared with the spectra obtained from singly doped Y_(2)SiO_(5):Ce compounds in order to investigate the interactions between Ce^(3+) and Tb^(3+) ions in Y_(2)SiO_(5). In the case of Y_(19-x), Ce_(x), Tb_(01) SiO_(5), the intensity of Tb^(3+) emission was increased, whereas an emission band of Ce^(3+) around 430 nm was decreased. The lifetime of the Ce^(3+) ions luminescence was also reduced. According to these experimental results, the energy transfer from Ce^(3+) to Tb^(3+) by a non-radiative way was occurred due to the spectral overlap between the emission band of Ce^(3+) (380-520nm) and the f-f absorption peaks of Tb^(3+) (384 and 493nm). In addition, as the concentration of ions was not great, the dipole-dipole interaction, which is called Fo"rster energy transfer, between the ions in the excited state is the most probable. Therefore, uniformly distributed Ce^(3+) and Tb^(3+), which substituted Y^(3+) in the Y_(2)SiO_(5) host, resulted in the formation of pairs within the maximum distance of the dipole-dipole energy transfer, i.e. some 3 nm^(6) since the lattice constants of Y_(2)SiO_(5) are a = 6.790Å, b = 9.242Å, c = 7.054Å and β = 107.52.