CC BY
26
_Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 7_
УДК 666.1.001.5
М. З. Зиятдинова*1, Н. В. Голубев1, Е. C. Игнатьева1, В. Н. Сигаев1, Т. Г. Хотченкова2
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, 20
2Институт физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси, Минск, Беларусь 220072, Минск, пр. Независимости, 68 * e-mail: [email protected]
ПАРАМЕТРЫ ДЖАДДА-ОФЕЛЬТА АКТИВИРОВАННЫХ Tb3+ СТЕКОЛ СИСТЕМЫ Y2O3-AI2O3-B2O3
Аннотация
Синтезированы иттрийалюмоборатные стекла, активированные ионами Tb3+. По спектрам поглощения рассчитаны параметры интенсивности Джадда-Офельта для двух стекол с разной концентрацией Tb3+. Показано, что с увеличением содержания Tb2O3 с 6 до 10 мол. % характер связей между ионами активатора и окружающими его лигандами не изменяется.
Ключевые слова: алюмоборатные стекла, тербий, параметры Джадда-Офельта.
Стекла, активированные ионами редкоземельных предположении, что все штарковские компоненты
(РЗ) элементов, широко используются в лазерной начального состояния, с которых происходят
технике, интегральной и волоконной оптике. Для переходы, заселены одинаково, сила осциллятора
расчета интенсивности f-f переходов в спектрах РЗ электрического дипольного перехода между
ионов в стеклах широко применяется метод, состояниями J и Убудет иметь вид: разработанный Джаддом и Офельтом [1, 2]. В
f- (1)
где т - масса электрона; с - скорость света в вакууме; матричные элементы тензорного оператора Рака для
n - показатель преломления; h - постоянная Планка; соответствующего перехода, мало изменяющиеся с
(2J+1) - степень вырождения уровня энергии, с окружением. С другой стороны, сила осциллятора
которого осуществляется переход электрона; Qt - электрического дипольного перехода может быть
параметры интенсивности, зависящие от окружения выражена через интегральное поглощение на этом
примесного РЗ иона; (yJ||U(t)|| J) - приведенные переходе:
те2
f-спеР J (2)
ж'Х N
где е - заряд электрона; X - длина волны, (чда), Н3ВО3 (хч). Каждая порция шихты
соответствующая барицентру межмультиплетной рассчитывалась на 20 г стекла. Стекла варили в
полосы; N - объёмная концентрация ионов платиновых тиглях объёмом ~50 см3 в окислительных
активатора. Для нахождения параметров условиях (на воздухе) в течение 60 минут при
интенсивности необходимо приравнять правые части температуре 1480°С. После этого расплав выливали
выражений (1) и (2) и решить полученную систему из тигля на металлическую плиту и прессовали
уравнений, предварительно определив значения другой плитой до толщины 1,5-2 мм, а затем
интегральных коэффициентов поглощения из отжигали при температуре вблизи Тg. Из пластин
экспериментальных данных. стекол изготавливали плоские образцы толщиной ~1
Цель работы - расчет параметров Джадда-
мм.
Офельта для активированных ионами ТЬ3+ Плотность и показатель преломления стекол
иттрийалюмоборатных стекол близких по составу к (Табл. 1) определяли, соответственно, методом
хантитоподобному кристаллу УАЬ(ВО3)4. Поскольку гидростатического взвешивания и с использованием
эти параметры обусловлены особенностями рефрактометра Аббе ШЯ-3Т. Спектры
°кружения РЗ жш^ они могут п°зв°лить п°лучить светоослабления измеряли в диапазоне 200-700 и
новую информацию о связи спектроскопических 1400-2500 нм на двухканальном спектрофотометре свойств рЗ иона и структурных особенностей ЗНшасСхи иУ-3600 при спектральной ширине щели 1
стеклообразной матрицы. нм в коротковолновой области спектра и 20 нм - в
В качестве исходных компонентов для варки длиноволновой стекол использовали ТЬ4О7 (осч), У2О3 (осч), А1(ОН)3
Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 7_
Таблица 1. Плотность, содержание активатора и показатель преломления синтезированных стекол
Содержание ТЬ20з, мол.% Плотность, г/см3 Концентрация ТЬ3+, см-3 Показатель преломления Пэ
10 3,2686 3,611021 1,6192
6 3,1083 2,111021 1,6139
На рисунке 1 представлен спектр светоослабления стекла, содержащего 10 мол. % ТЬ20з. Все наблюдаемые полосы поглощения обусловлены электронными переходами с основного 7/б уровня иона ТЬ3+ на уровни с большей энергией. Определение значений интегральных коэффициентов 10
98765432 -1 -0
поглощения полос в коротковолной области спектра затруднено из-за частичного их перекрывания с урбаховским краем поглощения стекла. Вследствие этого для расчета параметров интенсивности были выбраны лишь полосы в районе 485, 1880, 2250 нм (рис. 1, Табл. 2).
/А
о
3,0x10
4,0x10
1,5x10 2,0x10 2,5x10"'
5,0x10" X, см
Рис. 1. Спектр светоослабления стекла ЮТЪгОз-ЗОАкОз-бОВгОз
Для вычислений использованы значения матричных элементов для ТЬ3+, которые взяты из [3] и приведены в Таблице 2. Рассчитанные параметры Джадда-Офельта представлены в Таблице 3. Считается, что П2 и П6 отражают изменение степени
ковалентности связей РЗ иона с другими элементами, а П4 - результат одновременного влияния П2 и П6, что иногда не позволяет однозначно определить причины изменения данного параметра [4].
Таблица 2. Значения матричных элементов для ТЪ3+
Переход Длина волны, см и(2) и(4) и(6)
4,8610-5 0,0010 0,0008 0,0013
^6—^0,1,2 18,7810-5 0 0,0482 0,99
22,5110-5 0 0,2324 0,4126
Примечание: = (ИИ щ1')2.
Из рассчитанных данных (Табл. 3) видно, что концентрации ТЬ203 почти в два раза практически не значения параметров интенсивности П2 и П6 сказывается на характере связей между ионами находятся в пределах погрешности эксперимента [5]. активатора и окружающими его лигандами. Это позволяет предположить, что повышение
Таблица 3. Параметры интенсивности Ог для стекол с разным содержанием ТЪгОз
Параметры О ^ 10-20 см2
Содержание ТЬ203, мол.% 02 о4 Об
10 20,3 1,11 3,02
6 24,1 0,27 2,78
Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 7
Представляет также интерес сравнение полученных данных с параметрами Джадда-Офельта для соактивированных Се3+ и ТЬ3+ алюмоборатных стекол с целью выяснить меняется ли локальное
окружение ТЬ3+ в присутствии Се3+. Такое исследование планируется в следующей работе.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (гранты MK-1398.2014.3 и 14.Z50.31.0009).
Зиятдинова Мариям Зиннуровна аспирант кафедры химической технологии стекла и ситаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Голубев Никита Владиславович к.х.н., доцент кафедры химической технологии стекла и ситаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Игнатьева Елена Сергеевна к.х.н., ассистент кафедры химической технологии стекла и ситаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Сигаев Владимир Николаевич д.х.н., профессор, заведующий кафедрой химической технологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Хотченкова Татьяна Георгиевна м.н.с. ГНУ "Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси", Белоруссия, Минск
Литература
1. Judd B. R. Optical absorption intensities of rare-earth ions // Physical review - 1962. Vol. 127. - P. 750-761
2. Ofelt G. S. Intansities of crystal spectra of rare earth ions // Journal of Chemical Physics - 1962. Vol. 37. No. 3. - P. 511-520
3. Carnall W. T., Fields P. R., Ranjak K. Electronic energy levels of the trivalent lanthanide aquo ions. III. Tb3+ // The Journal of chemical physics - 1962. Vol. 49. No. 10. - P. 4447-4449
4. Шарова И. С., Иванова Т. Ю., Маньшина А. А. Исследование спектроскопических параметров халькогенидных стекол системы Ga-Ge-S:Er3+ // Физика и химия стекла - 2006. Т. 32. No. 1. - с. 56-68
5. Binnemans K.,. Corller-Walrand C. Are the Judd-Ofelt intensity parameters sensitive enough to reflect small compositional changes in lantanide-doped glasses? // Journal of Physics: Condensed Matter - 1998. Vol. 10 -P. L167-L170
Ziyatdinova Mariyam Zinnurovna1, Golubev Nikita Vladislavovich1, Ignat'eva Elena Sergeevna1, Sigaev Vladimir Nikolayevich1, Khottchenkova Tatiana Georgievna2
1D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
2B.I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Sciences of Belarus, Minsk, Belarus.
* e-mail: [email protected]
JUDD-OFELT PARAMETERS OF YTTRIA-ALUMINOBORATE GLASSES DOPED WITH Tb3+
Abstract
Yttrium aluminium borate glasses activated with Tb3+ ions have been investigated. Based on analysis of the absorption spectrum Judd intensity parameters Qt (t=2, 4, 6) were calculated for two glasses with different Tb3+ content. It is found that increasing concentration of Tb2O3 from 6 to 10 mol. % doesn't change the character of chemical bonds between the activator ions and surrounding ligands.
Key words: alumonoborate glass, terbium, Judd-Ofelt intensity parameters.
