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フォトニック応用のためのユーロピウムイオンをドープしたゲルマネートガラスの発光研究
Luminescent Studies on Germanate Glasses Doped with Europium Ions for Photonic Applications.
PMID: 32585869 PMCID: PMC7345945. DOI: 10.3390/ma13122817.
抄録
レアアース（RE）イオンをドープしたガラスやセラミック材料は、レーザー、光増幅器、発光センサーなどの活性材料としてフォトニクスの分野で大きな関心を集めています。希土類イオンをドープしたガラスの発光特性は、その化学組成に依存しますが、周囲の活性イオンを変化させることで調整することもできます。典型的には、これは、特定のガラス-ＲＥ系における秩序化機構を確立した後、熱処理（連続波レーザーおよびパルスレーザーを含む）によって達成される。既知のシステム内では、ケイ酸塩ガラスが優勢であるが、より低いエネルギーのフォノンを有する材料に関する研究は、フォトニックアプリケーションのために、より効率的な放射線源を構築することを可能にする、より少ない。本研究では、Euイオンをドープしたリン酸塩酸化物で修飾したゲルマニウムガラスの発光特性と構造特性を調べた。Euイオンの局所サイト対称性の変化を特徴づける発光スペクトルを解析するために、ユーロピウムドーパントを分光プローブとして用いた。その結果、励起スペクトル及び発光スペクトルにPOの含有量が強く影響していることがわかった。最も強いD→F(電気双極子)転移の発光研究では、PO含有量の増加が線幅の減少(15nmから10nm)と発光ピークのブルーシフト(~2nm)につながることが明らかになった。結晶場理論によれば、POのガラス構造への導入は、D→F(磁気双極子)転移のサブレベルの分裂数を変化させ、作製したガラスの高重合度化を確認した。Euのわずかに異なる局所環境が多くのサイトに結果を集中させ、スペクトル線の不均一な広がりを引き起こしている。また、(D→F)/(D→F)遷移の関係から推定される局所的非対称性比は、Euイオン周辺の局所的対称性のより大きな変化を確認することがわかった。これらの結果は、ゲルマニウムガラスをPOで修飾することで、その構造特性を制御することができ、発光源やセンサーとしての応用に向けて発光を機能化できることを示している。
Glass and ceramic materials doped with rare earth (RE) ions have gained wide interest in photonics as active materials for lasers, optical amplifiers, and luminescent sensors. The emission properties of RE-doped glasses depend on their chemical composition, but they can also be tailored by modifying the surrounding active ions. Typically, this is achieved through heat treatment (including continuous-wave and pulsed lasers) after establishing the ordering mechanisms in the particular glass-RE system. Within the known systems, silicate glasses predominate, while much less work relates to materials with lower energy phonons, which allow more efficient radiation sources to be constructed for photonic applications. In the present work, the luminescent and structural properties of germanate glasses modified with phosphate oxide doped with Eu ions were investigated. Europium dopant was used as a "spectroscopic probe" in order to analyze the luminescence spectra, which characterizes the changes in the local site symmetries of Eu ions. Based on the spectroscopic results, a strong influence of PO content was observed on the excitation and luminescence spectra. The luminescence study of the most intense D→F (electric dipole) transition revealed that the increase in the PO content leads to the linewidth reduction (from 15 nm to 10 nm) and the blue shift (~2 nm) of the emission peak. According to the crystal field theory, the introduction of PO into the glass structure changes the splitting number of sublevels of the D→F (magnetic dipole) transition, confirming the higher polymerization of fabricated glass. The slightly different local environment of Eu centers the results in a number of sites and causes inhomogeneous broadening of spectral lines. It was found that the local asymmetry ratio estimated by the relation of (D→F)/(D→F) transitions also confirms greater changes in local symmetry around Eu ions. Our results indicate that modification of germanate glass by PO allows control of their structural properties in order to functionalize the emissions for application as luminescent light sources and sensors.