Регистрация / Вход
Прислать материал

14.604.21.0131

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.604.21.0131
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химической физики им. Н.Н.Семенова Российской академии наук
Название доклада
Разработка технологии получения новых оптических материалов для приборов и устройств лазерной и/или радиационной техники
Докладчик
Корчак Владимир
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Ключевой задачей проекта является нахождение экспериментальных условий в которых могут быть выращены совершенные монокристаллы тройных галогенидов, содержащие значительные
концентрации катиона одновалентного висмута и изучение оптических свойств полученных
кристаллов (спектров люминесценции, оптического поглощения, спектров возбуждения
люминесценции) с целью улучшения их характеристик.
Целями реализуемого проекта являются:
1. Повышение коэффициента спектрального пропускания не менее чем на 5 % и снижение коэффициента поглощения лазерного излучения не менее чем в 10 раз при создании оптических материалов ИК диапазона для лазерной техники и/или радиационной техники.
2.Разработка технологии получения оптически-активных материалов на основе тройных галогенидов тяжелых металлов, легированных изоморфной примесью одновалентного висмута. Разрабатываемые оптические материалы предназначены для их использования в составе приборов и устройств инфракрасной и лазерной техники. В результате выполнения ПНИ должны быть получены экспериментальные образцы оптических материалов в виде монокристаллов тройных галогенидов на основе соединений цезия, таллия и других тяжелых металлов.
Актуальность и новизна исследования
В настоящее время наблюдается интерес к созданию лазерных систем нового поколения, обладающих способностью к перестроению в широком спектральном интервале. Традиционно, такие системы строились на основе оптически активных сред, содержащих ионы переходных металлов или редкоземельных элементов. Однако, даже интенсивные исследования последних лет, увенчавшиеся получением уникальных материалов, содержащих эти примесные катионы в качестве активных центров, не привели к созданию семейства перестраиваемых лазеров, полностью перекрывающих видимый и ближний ИК-диапазоны Поэтому, поиск и исследование оптических сред, содержащих активные примесные центры нового типа является безусловно актуальной и своевременной задачей.
Новизна темы заключается как в принципиально ином типе предлагаемого активного центра на основе примесного катиона с незаполненнной p-оболочкой (монокатион висмута), так и в новом подходе к образованию этих активных примесных ионов путем реакции синпропорцонирования в расплаве. Материалы, полученные в рамках данного проекта, также являются новыми, ранее не изученными.
Описание исследования

Монокатион висмута Bi+ является уникальным примером оптически-активного примесного центра, обладающего электронной конфигурацией 6p2. Наличие открытой p-оболочки наряду с проявлением сильного спин-орбитального взаимодействия, приводит к появлению на энергетической диаграмме Bi+ низколежащих возбужденных состояний 3P1 и 3P2. Под влиянием кристаллического поля происходит расщепление этих термов на энергетические подуровни. Вследствие оптических переходов с участием этих подуровней возникает поглощение в видимом и широкополосная фотолюминесценции в ближнем ИК диапазоне. В отличие от классических примеров примесных ионов переходных и редкоземельных металлов, энергетические уровни, структура и оптические свойства центров с конфигурацией p2 изучены недостаточно, хотя, судя по результатам наших исследований, материалы, содержащие такие центры, могут представлять большой интерес. В первую очередь это относится к использованию в области фотоники, где активные среды, обладающие широкополосной долгоживущей фотолюминесценцией, востребованы для создания перестраиваемых лазеров и оптических усилителей. В настоящем проекте были изучены некоторые кристаллические материалы, содержащих изоморфную примесь Bi+. В ходе выполнения работ по соглашению, получены монокристаллические образцы этих кристаллических фаз, представляющих собой комплексные галогениды, содержащие примесный ион Bi+. Для получения образцов применялась методика Бриджмена-Стокбаргера, причем состав шихты для роста кристалла выбирался с учетом условий, необходимых для образования больших концентраций монокатиона висмута в расплаве и растущем кристалле. Исследование полученных образцов позволило ответить на ряд вопросов, важных с точки зрения разработки висмутсодержащих оптических сред. В частности, установлена пространственная структура оптического центра, влияние кристаллического поля на его энергетические уровни и параметры оптических переходов. Для всех полученных образцов оптических материалов исследованы спектры оптического поглощения, спектры фотолюминесценции, спектры возбуждения фотолюминесценции. Построена модель оптически активного центра на основе примесного монокатиона Bi+.

Результаты исследования

1. С помощью квантово-химического моделирования показано, что монокатион висмута Bi+ может входить в виде изоморфной примеси в состав различных кристаллических фаз, построенных с участием катионов калия, рубидия, цезия и таллия.

2. Изготовлены образцы высокочистых бинарных галогенидов для последующего приготовления тройных галогенидов, легированных примесью висмута.

3. Получены образцы тройных галогенидов CsCdBr3 и TlCdCl3. Структурный анализ показал полное соответствие монокристалла CsCdBr3 гексагональной сингонии, а монокристалла TlCdCl3 – ромбической.

4. Люминесценция примесного иона Bi+ в составе тройных галогенидов наблюдается в диапазоне 850-1600 нм. Так, в матрице CsCdBr3, максимум спектра фотолюминесценции Bi+ наблюдается на 1060 нм. Ширина спектра на половине высоты составляет 160 нм.

5. Для кристаллической фазы CsCdBr3, содержащей изоморфную примесь Bi+, получены спектры оптического поглощения. Показано, что максимумы в спектре поглощения наблюдаются на 630 и 670 нм.

6. Показано, что перспективной кристаллической матрицей для получения больших концентраций примеси Bi+ являются  тройные галогениды рубидия RbY2Cl7, RbGd2Cl7, RbGd2Br7.

7. Определен состав исходной шихты для выращивания монокристаллических образцов CsCdBr3 и RbY2Cl7, содержащих изоморфную примесь Bi+.

8. Установлено, что положение максимума спектра люминесценции кристаллической фазы RbY2Cl7, содержащей изоморфную примесь Bi+, соответствует 1001 нм, а ширина спектра люминесценции составляет 110 нм.

9. Проведен анализ интенсивности фотолюминесценции образцов RbY2Cl7 и CsCdBr3, содержащих примесь Bi+. Подтверждено сделанное ранее предположение о возможности получения значительных концентраций Bi+ в составе тройного хлорида RbY2Cl7.

10. Получена кристаллическая фаза K0.38In0.62Mg0.38F3 cодержащая изоморфную примесь Bi+. Установлено, что положения максимума в спектре фотолюминесценции этого материала соответствуют 977 нм  (возбуждение на λex=660 нм), а ширина  спектра фотолюминесценции на половине высоты составляет 150 нм.

 11. Получены образцы кристаллической фазы KY310, содержащие изоморфную примесь ионов одновалентного висмута. Максимум  в спектре фотолюминесценции полученных образцов, наблюдается на 985 нм  (возбуждение на λex=660 нм), а ширина  спектров фотолюминесценции  на половине высоты составляет 125 нм.

12. В широком температурном интервале получены спектры оптического поглощения примесного иона Bi+ в кристалле CsCdBr3. Определены основные характеристики примесного центра – энергия бесфононного перехода, частота эффективного фонона, фактор Хуанга-Риса.

13. Изучена фотолюминесценция легированного висмутом иодида TlCdI3. Показано, что ширина спектра люминесценции равна 190 нм, при этом характерное время затухания фотолюминесценции оказывается меньше, чем в легированных висмутом смешанных хлоридах и бромидах.

14. Разработан Лабораторный технологический регламент получения монокристаллов тройных галогенидов, содержащих изоморфную примесь одновалентного висмута.  

Методики, использованные для получения оптических сред на основе легированных висмутом кристаллов, являются новыми и оригинальными. Проведенные исследования не имеют аналогов среди разработок зарубежных лабораторий.

Практическая значимость исследования
Активные среды на основе материалов, разработанных в ходе работ по настоящему соглашению, можно использовать в оптическом приборостроении для изготовления новых твердотельных лазеров, перестраиваемых в широком диапазоне ближнего ИК-излучения. Эти приборы могут найти широкое применение в таких отраслях как медицина (лазерная хирургия, офтальмология, диагностика, фотодинамическая терапия злокачественных новообразований), метрология (создание эталонов частоты и времени), лазерное разделение изотопов, лазерная спектроскопия, аналитическая химия, технология лазерного зондирования атмосферы (лидары и др.), мониторинг окружающей среды, дистанционный контроль физико-химических параметров агрессивных и недоступных сред.