A study of energy transfer mechanisms in magnetoplumbite structural phosphors

Abstract

본 논문은 마그네토플롬바이트 구조를 가진 여러 가지 형광체 물질 내에 첨가된 희토류 이온들 사이의 에너지 전달 현상에 대해 연구하였다. 시료는 저온 합성법인 연소 방법(combustion synthesis)에 의해 만들어 졌으며 얻어진 각각의 시료에 대한 XRD, PL, CL, lifetime 등이 측정되었다. 모체에 첨가된 희토류 이온들은 각각의 고유한 특정 발광을 보였는데 Ce³ ,Eu² 이온 등은 모체의 결정 구조변화에 따른 peak 의 이동이 나타났다. 특히 이들 이온들이 시료에 동시 첨가된 경우 (co doping case) 이들 두 가지 다른 이온들 사이의 에너지 전달현상이 현저하게 관찰되었다. 주된 에너지 전달 메카니즘은 acceptor가 낮은 농도로 첨가된 CaAl₁₂O₁ : Ce³ + Eu² ｘ 형광체의 경우 Ce³ 이온에서 Eu² 이온으로의 에너지 전달이 donor 사이의 확산 현상을 수반한 electric dipole-dipole interaction 에 의해 일어남을 보였다. 반대로 acceptor가 높은 농도로 첨가된 CaAl₁₂O₁ : Ce³ + Eu² ｘ 형광체의 경우 여러 종류의 에너지 전달 현상이 혼합 됨으로써 정확한 메카니즘은 규명되지 못하였다. BaAl₁₂O₁ : Ce³ + Eu² ｘ 형광체에서는 Ce³ → Eu² 와 Ce³ → Ce - Oｍｅ 복합체의 두 가지 독립적인 에너지 전달현상이 존재함이 발견되었으며 이들 각각의 전달 메카니즘은 donor 와 acceptor 사이의 electric multipole interaction 들에 의해 설명 되었다. 각 시료에 대한 전체적인 에너지 전달 메카니즘은 electric dipole-dipole interaction 에 의한 Ce³ 이온에서 Eu² 이온으로의 전달 확률과 Ce³ 이온에서 Ce - Oｍｅ 복합체로의 전달 확률의 두 가지 독립적인 확률을 더함으로써 설명 될 수 있었다. 마지막으로 LaMgAl₁₁O₁ : Ce³ + Tb³ ｘ 형광체에서는 Ce³ 과 Tb³ 사이의 에너지 전달 메카니즘은 CaAl₁₂O₁ : Ce³ + Eu² ｘ 형광체 경우에서와 같은 donor 사이의 확산 현상을 수반한 electric dipole-dipole interaction 에 의해 일어남이 확인되었다. 또한 이 형광체 에서는 Tb³ 의 cross relaxation 현상이 Tb³ 이온의 농도에 의존하여 일어날 뿐 아니라 Ce³ → Tb³ ( D₃) → Tb³ ( D₄) 의 두 단계 과정을 거쳐서도 일어남이 나타났다. ; The characteristic luminescence and energy transfer mechanisms have been investigated in rare earth doped magnetoplumbite phosphor materials. The powder compounds were synthesized by the combustion method. The luminescence and the radiative lifetime were measured in each phosphor. The major mechanism of the energy transfer occurred due to the electric dipole - dipole interaction with diffusion limited energy migration among donor ions in the CaAl₁₂O₁ : Ce³ + Eu² ｘ phosphor if the concentration of the acceptor ions was relatively lower (X = 0.005, X = 0.01 cases). Two independent energy transfers by electric multipole interactions between donor and acceptor ions have been found through the fitting results in BaAl₁₂O₁ : Ce³ + Eu² ｘ phosphor. The first energy transfer took place between the Ce³ ion and the Eu² ion which depends strongly on the Eu² concentration, the second transfer occurred between the Ce³ ion and the Ce³ - Oｍｅ complexes through electric multipole interactions between donor and acceptor ions. The total transfer mechanism in this phosphor has been explained by two independently combined transfer rates via electric dipole - dipole interaction. i.e Ce³ → Eu² transfer rate and Ce³ → Ce³ - Oｍｅ transfer rate respectively. The cross relaxation of the Tb³ ion depending on the Tb³ concentration has been observed in the LaMgAl₁₁O₁ : Ce³ + Tb³ ｘ phosphor. Also it was found that the Tb³ cross relaxation effect can occur via a two step process of the energy transfer i.e Ce³ → Tb³ ( D₃) → Tb³ ( D₄). The energy transfer mechanisms between the Ce³ ion and the Tb³ ion in the LaMgAl₁₁O₁ : Ce³ + Tb³ ｘ phosphor showed good results with the energy transfer model throgh the electric dipole - dipole interaction with the diffusion limited energy migration among donor ions. The back energy transfer from the higher Tb³ ionic states to the lower Ce³ ionic state has also been verified via the fitting results in which the diffusion involved lifetime is decreasing according to the increasing acceptor concentration. This is different from the result of the energy transfer in the CaAl₁₂O₁ : Ce³ + Eu² phosphor.