УФ-люминесценция кубического нитрида бора

В настоящее время существует интерес к материалам, эмитирующим свет в УФ – диапазоне спектра для использования в высокоэффективных «белых» фосфорах и световых эмиттерах, конвертирующих световых эмиттерах, детекторах УФ излучения и т.п., которые могли бы эксплуатироваться в условиях высоких температур, радиации, химически агрессивных средах и условиях повышенной влажности.

Легирование полупроводников редкоземельными элементами (РзЭ) является одной из перспективных возможностей создания вышеуказанных световых эмиттеров. Излучательные электронные переходы (типа 4f– 4f, 4f – 5d) на трехвалентных ионах различных редкоземельных элементов, инкорпорированных в различные кристаллические матрицы, являются источниками световой эмиссии в виде линейчатых спектров или широких полос в УФ, видимом или ИК – диапазонах.

В настоящее время активно исследуются (например, в рамках консорциума RENIBEL: University of Strathclyde – Glasgo, UK;University of Exeter – UK; Universität Paderborn– Germany;Katholieke Universiteit Leuven- Leuven, Belgium, SIFCOM-ISMRA-CNRS – Caen, France)и уже используются материалы на основе нитридов А^III В^V (галлия, алюминия), активированные редкоземельными элементами (РзЭ) [1 – 10]. Активирование нитридов РзЭ позволяет получать на них световую эмиссию в широком спектральном диапазоне, в то время как собственная является очень слабой или, вообще, отсутствует. Однако III-нитриды, такие как GaN и твердые растворы на его основе, уступают cBN по радиационной, термической и механической стойкости, и по способности эмитировать свет в УФ-области.

К настоящему времени известно несколько работ, посвященных люминесценции активированного РзЭ кубического нитрида бора [11 – 14]. Мы сообщили о получении световой эмиссии в видимой области спектра на cBN, активированном РзЭ, [15] и световой эмиссии в УФ-области спектра, впервые зафиксированной на cBN, активированном Gd и Cе [16].

Трехвалентный ион гадолиния является уникальным среди трижды ионизованных ионов РзЭ, поскольку энергетический интервал между первым возбужденным состоянием его f – электрона ⁶ P_7/2 и его основным состоянием ⁸ S_7/2 является наибольшим для всей серии лантаноидов. Ожидаемая вероятность переходов ⁶ P_7/2 – ⁸ S_7/2 относительно невелика, но существенна по сравнению с переходами в основное состояние с более высоко лежащих энергетических уровней. Например, переходы с уровня ⁶ G_7/2 на уровни ⁶ P_J или ⁶ I_J являются более вероятными, чем на основное состояние, и дают люминесценцию в области 600 нм и ИК – области [10]. Основное состояние иона Gd³⁺ в кристаллическом поле той или иной матрицы имеет очень небольшое расщепление, которое, как правило, не регистрируется в люминесценции [11–13]. Расчетный энергетический интервал между первым возбужденным и основным состояниями на ионе Gd³⁺ составляет ~ 3.99 eV, и можно ожидать, что только запрещенные зоны таких широкозонных полупроводников как AlN и cBN могут «вместить» эти переходы. Известны работы по фотолюминесценции на ионах Gd³⁺ , введенных в различные кристаллические матрицы. Например, в Y₂ SiO₅ эмиссия на Gd³⁺ наблюдалась при 307 нм и 313 нм [14]. Подобная люминесценция наблюдалась на ионах Gd³⁺ в LiGdF₄ и AlN [17, 18]. Перспективность материалов, активированные гадолинием, для их использования в качестве световых эмиттеров, работающих в УФ – области [19], очевидна.

В настоящей работе мы исследуем люминесценцию образцов кубического нитрида бора, активированного гадолинием, в том числе поликристаллов, синтезированных под высоким давлением в присутствии алюминия, и дополнительно прошедших термобарическую обработку после синтеза.

Эксперимент

Образцы cBN, активированные гадолинием, получались в технике высоких давлений в виде микропорошков, керамических образцов и поликристаллов. Микропорошки Gd:cBN синтезировались из технического hBN в каталитической системе, обеспечивающей избыток азота, в присутствии 1 вес.% соединения Gd в виде порошков, в том числе наноразмерных. Все микропорошки cBN были светло-желтого цвета с размером зерен 2 – 5 m. Микропорошки спекались в керамические образцы Gd:cBN_c с использованием высоких давлений и температур. Поликристаллы Gd:cBN_p получались из hBN путем прямого фазового превращения. Исходная шихта содержала 1, 2 и 5 вес.% соединения Gd. Некоторые поликристаллы синтезировались в присутствии Al, а некоторые были подвергнуты дополнительной, после синтеза, термобарической обработке.

После спекания и синтеза компактные образцы Gd:cBN полировались до зеркального блеска и травились в соляной кислоте для удаления возможных загрязнений.

Исследования фотолюминесценции (ФЛ) образцов кубического нитрида бора проводили на микро-рамановском спектрометре «Renishaw-1000» при температуре жидкого гелия – с использованием криогенного устройства «OxfordInstrumentMicrostats», и комнатной температуре. Для возбуждения ФЛ в видимой области использовался аргоновый лазер с длиной волны 488 нм, а в УФ – области – Ar– лазер в режиме двухфотонного возбуждения на длине волны 244 нм. В последнем случае энергия в 10 мВт фокусировалась в фокусе диаметром 10 m.

Результаты

По