Гапоненко Н В, Борисенко В Є, Унучек Д Н, Маляревич Г К Білоруський гсударственний університет інформатики і радіоелектроніки, П Бровки, д 6, м Мінськ, 220013, Білорусь тел: +375 (017) 2938869, e-mail: nik@nanobsuireduby Степіхова М В, Красильникова Л В

Інститут фізики мікроструктур Російської академії наук ГСП-105, м Нижній Новгород, 603950, Росія

Анотація – Розглянуто методику синтезу та оптичні властивості мезоскопических структур ксерогель/поріс- тий анодний оксид алюмінію, Ксерокс гель / о упав, леговані ербієм та іншими оптично активними лантаноїдами

I                                       Введення

Формування плівок центрифугированием, зануренням або розпиленням з плівкоутворюючих колоїдних розчинів здійснюється за допомогою золь-гель переходу або гелеобразования [1] Золі являють собою дисперсію колоїдних частинок в рідині [2] Гелеутворення обумовлено виникненням в обсязі рідкої системи молекулярної сітки або каркаса взаємоповязаних полімерних ланцюжків мікронного розміру і субмікронних пор При видаленні з гелю рідини формується моноліт, іменований як ксерогель Введення до складу золю іонів лантаноїдів – ербія, тербия і европия дозволяє формувати ксерогелі, що проявляють інтенсивну люмінесценцію у видимій та ІЧ-області Завдяки порівняно невисокій вязкості колоїдних розчинів, золь-гель метод дозволяє формувати плівки ксерогелей різного хімічного складу не тільки на гладкій поверхні напівпровідників, лінз, стекол та ін, але і в мезопористих структурах Це відкриває ряд перспектив для застосування методу, дозволяючи, наприклад, цілеспрямовано змінити хімічний склад, питому поверхню та оптичні властивості мезопористих зразків Розвиток синтезу структур ксерогель/мезопо- Рісто матриця, їх структурний і оптичний аналіз дозволяє синтезувати ряд матеріалів з унікальними оптичними властивостями, зумовленими насамперед просторовим обмеженням фотонів в регулярних періодичних структурах з періодом, порівнянним з довжиною хвилі електромагнітного випромінювання в оптичному діапазоні

У даному докпаде узагальнено результати синтезу, оптичного і структурного аналізу плівок ксерогелей в пористому анодном оксиді алюмінію

Рис 1 Структури пористого анодного оксиду алюмінію і опала до і після просочення ксерогелей Fig 1 Structures of porous anodic alumina and opal before and after xerogel impregnation

a і синтетичних опали (рис 1), також наведені недавно отримані нами результати по люмінесцентних

ценціі на довжині хвилі 153 мкм ксерогелей в плівках оксиду заліза, оксиду титану та оксиду кремнію, легованих ербієм, сформованих в пористому анодном оксиді алюмінію і синтетичних опали

II Структури ксерогель / пористий анодний оксид алюмінію

Відомо, що анодування алюмінію в певних електролітах дозволяє виростити на його поверхні не тільки плівку щільного анодного оксиду, але при використанні ряду електролітів також і пористий оксид Плівки пористого анодного оксиду алюмінію являють собою гексагонально упаковані самоорганізовані комірки з порами, орієнтованими перпендикулярно фронту анодирування діаметром від декількох десятків до декількох сотень нанометоров Упорядкована структура пористого анодного оксиду алюмінію може використовуватися для синтезу на його основі різних нанотекстурірованних матеріалів

Введення до складу золю оптично активних іонів і можливість проведення золь-гель синтезу в мезоскопических порах анодного оксиду алюмінію дозволяє формувати структури ксерогель / пористий анодний оксид алюмінію, що проявляють ряд цікавих оптичних властивостей Синтезовано структури ксерогель / пористий оксид алюмінію, леговані тербием і европием, що проявляють інтенсивну фотолюмінесценцію червоного і зеленого кольору [3, 4], порушувану ультрафіолетовим випромінюванням, а також люмінесцирующие в червоному або зеленому діапазоні залежно від довжини хвилі збудження [5] Виявлені ефекти двулучепреломления і анізотропії розсіяння світла в пористому оксиді алюмінію [6, 7] Тривають дослідження з формування багатобарвних люмінесцентних написів за допомогою фотолітографії [8], а також осадження напівпровідникових наночастинок в пористому анодном оксиді алюмінію [9]

Нещодавно ми виявили інтенсивну фотолюмінесценцію на довжині хвилі 154 мкм в легованих ербієм структурах ксерогель оксиду заліза / пористий анодний оксид алюмінію – рис 2 Істотно, що фотолюмінесценція ербія в таких системах, яку ми асоціюємо з оптичним переходом ‘li3/2-li5/2 іонів Ег ® · характеризується досить вузькими спектральними лініями з напівшириною близько

3 нм, причому при наявності в порах анодного оксиду залишкового непроанодірованного алюмінію інтенсивність люмінесценції ербія зростає в 2раза – рісЗ Для алюмоітрієвому гранатів, плівок Si02H 3 | 02Я | 02, сформованих золь-гель методом, полушіріна смуги люмінесценції на 154 мкм становить 10-14 нм

опалі, що має в зазначеному діапазоні фотонну заборонену зону рис 4 (б) вказує на зміну збудження люмінесценції ербія, обумовлене, на наш погляд, забороненою зоною для фотонів в синтетичному опалі рис 4 (в) з енергією, відповідної оптичному переходу ^ Hii / 2 на 525 нм

Рис 2 Схематичне зображення структури ксерогель / пористий анодний оксид алюмінію: (а) – з залишковим алюмінієм, (б) – без алюмінію в порах анодного оксиду алюмінію

Рис 4 Спектри возбуженія люмінесценції на 153 мкм ербія в ксерогелей оксиду титану, сформованого в пористому анодном оксиді алюмінію (а) і синтетичному опалі (б) спектри відображення тривимірної структури опал / ксерогель для різних кутів орієнтації (в)

Довжина хвилі, нм

Довжина хвилі, нм

Fig 2 Diagram of xerogei/porous anodic aiumina structures: (a) – with residuai aiuminum, (b) – without aiuminum inside the pores

Puc 3 Спектри фотолюмінесценції в області

1 5 мкм плівок оксиду заліза, легованих ербієм з концентрацією оксиду ербію 10, 30 і 50 вагу %, В пористому анодном оксиді алюмінію, виміряні при температурі 77 (а) і 300 (б) К

Fig 3 Photoiuminescence spectra of 15μm of Fe203 fiims doped with 10, 30, 50 wt% Of Er203 in porous anodic aiumina at 77 К (a) and 300 К (b)

III Структури ксерогель / опали

Довжина хвилі, нм

Синтетичні опали, що представляють собою періодичну упаковку з монодисперсних сфер кремнезему субмикронного розміру, є тривимірними фотонними кристалами оптичного діапазону [10, 11] Показано вплив фотонної забороненої зони на зміну спектрів люмінесценції і зміна кінетики люмінесценції іонів і молекул, впроваджених в опали [1] У цій роботі ми показуємо зміна спектрів збудження люмінесценції ербія в структурі T1O2: Ег / опал, сформованої золь-гель методом

Порівняння спектрів збудження люмінесценції на 153 мкм ербія в ксерогелей оксиду титану, сформованого в пористому анодном оксиді алюмінію, що не має фотонної забороненої зони в області найбільш ефективного збудження на 500-550 нм рис 4 (а) і синтетичному

Fig 4 Photoiuminescence excitation spectra for 153- μm emission from Er-doped titania xerogei in porous anodic aiumina (a) synthetic opai (b) reflection spectra of the structure opai/xerogei for various orientation angles

Таким чином, технологія синтезу легованих лантаноїдами ксерогелей в мезопористих матрицях дозволяє формувати люмінесцентні структури, що відрізняються діапазоном випромінювання, шириною спектральних ліній, а також умовами та спектрами збудження люмінесценції При подальшому вдосконаленні структури ксерогель / пориста матриця можуть знайти застосування в дисплейних технологіях, пристроях відображення інформації і елементах планарною оптоелектроніки

Автори висловлюють подяку А В Мудрому і А П Ступаку за допомогу при вимірюванні спектрів опалів, а також М І Самойловичу і його групі за надання синтетичних опалів Робота виконується при фінансової підтримки гранту INTAS

03-51-6486

V                           Список літератури

[1] Гапоненко Н В Плівки, сформовані золь-гель методом на підлозі-провідниках і в мезопористих матрицях – Мн: Беларуская навука, 2003 – 136 с

[2] Borisenko V Е, Ossicini S What is what in the nanoworld – Willey-VCH Weinheim, 2004

[3]  Gaponenko N V, Davidson J A, IHamilton B, Skeldon P, Thompson G E, Zhou X, Pivin J C Strongly enhanced Tb luminescence from titania xerogei solids mesoscopically confined in porous anodic alumina // Appl Phys Lett – 2000 – Vol 76, N 8 – P 1006-1008

[4]  Gaponenko N V, Molchan I S, Thompson G E, Skeldon P, Pakes A, Kudrawiec R, Bryja L, Misiewicz

J Photoiuminescence of Eu-doped titania xerogei spin-on deposited on porous anodic alumina // Sensors and Actuators A – 2002 – Vol 99 – P 71 -73

[5]  G K Maliarevich, I S Molchan, N V Gaponenko,

S       V Gaponenko, A A Lutich, G E Thompson, Porous anodic alumina and sol-gel products for optoelectronic application // J SID (2006) – in press

[6] A A Лютич, І С Молчан, Η В Гапоненко Двулуче-переломлення в пористому анодном оксиді алюмінію / / Оптика і спектроскопія – 2004-Т 97, N 5 – С871-875

[7] Lutich А А, Gaponenko S V, Gaponenko Ν V, Molchan IS, Sokol VA and Parkhutik V Anisotropic light scattering in nanoporous materials: a photon density of states effect / ZNano Lett – 2004 – Vol 4, N 9 – P 1755- 1758

[8]  Gaponenko N V, Molchan I S, Thompson G E, Lam- bertini V, Repetto P High-efficient luminescent sources fabricated in mesoporous anodic alumina by sol-gel synthesis // J SID – 2003 – Vol 11, N 1 – P 27-32

[9]  N V Gaponenko, I S Molchan, D A Tsyrkunov,

G       K Maliarevich, M AegerterJ Puetz, N Al-Dahoudi,

J Misiewicz, R Kudrawiec, V Lambertini, N Li Pira,

P Repetto Optical and structural properties of sol-gel derived materials embedded in porous anodic alumina Microelectronic Engineering – 2005 – Vol 81 – P 255-261

[10]V N Bogomolov, S V Gaponenko, I N Germanenko,

A M Kapitonov, E P Petrov, N V Gaponenko,

A V Prokofiev, A N Ponyavina, N I Silvanovich,

S       M Samoilovich Photonic band gap phenomenon and optical properties of artificial opals Phisycal Review E,

1997, V 55, No 6, pp 7619-7625

[11]M Yu Tsvetkov, S M Kleshcheva, M I Samoilovich,

N V Gaponenko, A N Shushunov Erbium photoiuminescence in opal matrix and porous anodic alumina nanocomposites Microelectronic Engineering, 2005, v 81 p 273- 280

SYNTHESIS AND PHOTOLUMINESCENCE OF LANTHANIDE-DOPED XEROGELS IN MESOPOROUS MATRIX

Gaponenko N V, Borisenko V E,

Unuchek D М, Maliarevich G K

Belarusian State University of Informatics and Radioeiectronics 6, P Browka Str, Minsk, 220013, Belarus Ph: +375(017) 2938869 e-mail: nik@nanobsuir edu by Stepikhova M V, Krasilnikova L V

Institute for Physics of Microstructures,

Russian Academy of Sciences GSP-105, Nizhniy Novgorod, 603950, Russia

Abstract – The method of synthesis of the mesoscopic structures xerogei/porous anodic alumina (PAA), xerogel/opal, doped with erbium and other optically active lanthanides and their optical properties are considered

I                                         Introduction

Fabrication of the films by spinning, dipping of spraying from the coatable colloidal solution occurs through sol-gel route or gelation [1] Introduction ofthe lanthanide ions-erbium, terbium or europium into the sol allow manufacturing xerogels revealing intensive photoiuminescence (PL) in a visible and IR- range Due to relatively low viscosity of colloidal solution sol-gel method could be used for fabrication of xerogei films in mesoporous structures as well

Development of synthesis of the xerogel/mesoporous matrix, their structural and optical analyses allow fabricating new materials arising mainly from spatial confinement of photons in regular periodical structures with the period compared to electromagnetic wavelength in optical range This report summarizes the results of synthesis, optical and structural analyses of xerogei films in PAA and synthetic opals Our recent results of PL at 153 μm in the Er- doped structures are also presented here

II                                        Main Part

Films of PAA comprises from hexagonally packed selforganized cells with the pores oriented perpendicular to the anodizing plane with the size ranging from tenth to hundreds of nanometers PAA films are considered as an appropriate template for synthesizing diverse optically active species inside the channels of the pores, using sol-gel technology We report on strong green and red PL from xerogel/PAA structures doped with terbium and europium as well as birefringence and anisotropy of light scattering observed for PAA It is shown that depending on the anodizing condition and chemical content of xerogels, the line width of the band at 153 ЦТ for erbium-doped structures could be varied from tenth of nm for garnets, silica and titanium oxide to 1 nm for iron oxide Significantly, presence of residual aluminium in the pores results in about 3-fold increase of erbium-related PL intensity

Artificial opals are known as 3D photonic crystals for visible range PL excitation spectra for the emission wavelength 154 ЦТ were studied for erbium-doped xerogei embedded in artificial opals and PAA films Opals were chosen with photonic stop-band in green spectral range, where excitation of 154 цгп occurs most efficiently In comparison to the structure erbium-doped titania xerogel / PAA the PL excitation spectra for 154 цгп emission wavelength significantly changes for the same xerogels embedded in artificial opals Influence of photonic stop-band on erbium PLE is discussed versus chemical factor of Si02/Ti02composite

III                                       Conclusion

Synthesis of the xerogels doped with lanthanide ions in mesoporous matrices allow fabricating luminescent structures which are distinctive in radioactive range, spectral line width as well as excitation conditions and their spectra Further development of the structure xerogei/porous matrices could be applied for display technologies, and elements of planar optoelectronics This work was supported by the INTAS grant, project No 03-51-6486

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р