エルビウム亜鉛ホウ酸鉛ガラスの構造的、熱的、光学的、発光特性に対するコバルト/銅イオンの影響

Scientific Reports volume 13、記事番号: 12260 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

70B2O3-10Pb3O4-18ZnO-2Er2O3 (ErCoCu1) のホストガラスネットワークが提案され、1 mol% の Co または/または Cu イオンがその構造、熱、光学、緑色発光特性に及ぼす影響が広範囲に研究されました。 X線回折スペクトルにより、製造されたガラスの非晶質構造が確認されました。 密度および密度に基づくパラメーターの挙動は、Co または/または Cu イオンが提案された ErCoCu1 ネットワークの格子間位置を埋め、その緻密性を引き起こしていることを示しました。 ATR-FTIR とラマン スペクトルの両方で、ホウ酸塩ネットワーク、B-O-B 結合、BO3、および BO4 の基本的な構造単位の形成が確認されました。 さらに、ErCoCu1 内部への Co または / または Cu イオンの浸透により、四面体 BO4 ユニットが三角形 BO3 に変換され、非架橋酸素によるその富化が引き起こされます。 Co または/または Cu を添加すると、BO4 単位が BO3 単位に変換される結果、ガラス転移温度が低下します。 ホストガラス ErCoCu1 の光吸収スペクトルは、Er3+ イオンの多くの顕著な吸収バンドを示しました。 Co イオンの浸透により、四面体および八面体の両方の配位における Co2+ イオンと四面体配位における Co3+ イオンの存在を表す 2 つのブロードバンドが生成されます。 Cu ドープガラスでは、Cu2+ と Cu+ の特徴的な吸収バンドが観察されました。 励起波長 380 nm で ErCoCu1 ガラスから緑色の発光が発生しました。 さらに、Co または/および Cu が発光スペクトルに及ぼす顕著な影響は記録されませんでした。 検討されたガラスは、オプトエレクトロニクスおよび非線形光学の用途に適した適切な特性を備えていました。

遷移金属イオン TMI の複数の酸化状態は、ガラス ネットワークに多くの光学的、電気的、磁気的特性をもたらします 1、2、3。 光学的には、TMI はガラスネットワークにさまざまな鏡面色を与え、UV、可視、IR 領域などの電磁スペクトルのさまざまな領域で高い光吸収能力を持たせます 4、5、6。 フォトルミネッセンスの観点から見ると、TMI は調整可能な波長と適切な量子収量を持つ幅広い発光バンドを生成します 7,8。 電気的および磁気的に、TMI の複数の酸化状態は、電荷の自由度とスピンに影響を与えることにより、ガラス ネットワークの構造単位に大幅な変化をもたらし、それが次に伝導プロセスとガラス ネットワークの電気的および磁気的性質に直接影響を与えます 9,10 。 したがって、ガラス含有TMIは、発光ダイオード、光学フィルター、固体レーザー、メモリスイッチングエレクトロニクス、超イオン電池、触媒、スマート電子デバイス、磁気情報などのフォトニクス、電子、オプトエレクトロニクス、および磁性領域において重要な用途を持っています。ストレージ11、12、13。 コバルト (Co2+/Co3+) および銅 (Cu+/Cu2+) イオンは、さまざまなガラス ネットワークの特性を向上させる最も特徴的な遷移金属イオンです。 ガラスネットワーク内で八面体 (oh) および四面体 (Td) の幾何学的形状のコバルト イオン (Co2+/Co3+) の混合原子価状態が形成されるため、太陽光選択的吸収体、燃料電池、可視および近赤外レーザー発振材料に適した材料となります。 、スーパーキャパシタ、ガスセンサー、リチウムイオン電池など。 コバルトは、Co2+ イオンの幾何学的形状の配位 (四面体または八面体) に応じてガラスに青またはピンクの色を与えます 14,15,16。 Cu イオンをガラスネットワークに追加すると、通常の条件下での製造プロセス中に 2 つの価数状態、Cu+ と Cu2+ が生成されます。 Cu イオンは通常、ガラス ネットワークに青または緑の色を加えます。 一般に、二価の銅イオン Cu2+ の形成は、ガラス内に形成された色に基づいて判断できます。 さらに、Cu2+ イオンは、Cu2+ の八面体配位により通常生じる可視〜近赤外領域に広い吸収バンドを形成しますが、第一銅 (一価の銅) イオン Cu+ は紫外領域に明確な吸収バンドを持ちます。 これらの吸収バンドは通常、ガラスネットワーク内の Cu+ および Cu2+ の存在を検出するために使用されます 1、3、4、7。 希土類イオン RE3+ は独特の特性を持っており、その最たるものはフォトルミネッセンスの特性であり、これにより多くのフォトニクスおよびオプトエレクトロニクスの用途で有力なものとなっています 17,18。 Er3+ イオンは、豊富なエネルギー準位を特徴とする希土類イオンの 1 つであり、青、緑、赤、白色光などのさまざまなスペクトル領域に対する独特の発光体となっています 17,18。 ホウ酸塩ガラスは、その高い透明性と高い熱安定性に加え、融点が低いため、製造プロセスが容易になるため、最も一般的なガラスネットワークの 1 つです。 しかし、フォトルミネッセンスの量子収率に悪影響を与える高いフォノンエネルギーのため、ホウ酸塩ガラスは PbO や Bi2O3 などの重金属酸化物で強化されています19,20。 一方、PbO を添加すると、ホウ酸ガラスネットワークの機械的、熱的、光学的特性が強化されます 19,20。 一般に、ホウ酸塩ガラスのネットワーク、特に重金属イオンで強化されたネットワークは、アルカリイオン (Li+、Na+ など)、アルカリ土類イオン (Sr2+、Ba2+ など)、遷移金属イオンなどのすべてのガラス添加剤にとって独特のホストです。 (Zn2+、Co2+/Co3+、Cu+/Cu2+ など)、遷移後金属イオン (Al3+、Bi3+ など)、および希土類イオン (Er3+、Yb3+ など)21,22。 前述のユニークな特徴と、濃度、ガラスネットワークの種類、製造方法に応じてガラスネットワークに与える多様な特性を考慮して、ガラスの特性を高める際の遷移金属イオンの効果的な役割について研究が続けられています。さまざまな分野で技術力を向上させます。 2023 年、OI Sallam ら。 は、20NaF-60P2O5-20Na2O のフォトルミネッセンス (PL) および誘電特性に対する 4 つの遷移金属イオン (CuO、CoO、Fe2O3、NiO) の影響を研究しました。 著者らは、CuO と Fe2O3 を添加すると検討中のガラスの誘電パラメータが向上する一方、CoO と NiO は交流伝導率を低下させることを発見しました。 ベースガラスは、457 nm の励起波長による励起により 480 および 530 nm の発光バンドを生成します。 発光バンドの位置と強度は、遷移金属ドーパントの種類に強く依存しました1。 クン・レイら。 彼らは、2023年にイオン交換によってNa2O-B2O3-SiO2のベースガラスを調製し、その構造特性と発光特性に対するCu+イオンの影響を研究しました。 468 nm を中心とする青緑色のブロードバンドが 290 nm の励起波長で生成され、その強度はイオン交換時間の増加に伴って変化しました7。