Влияние ионов кобальта/меди на структурные, термические, оптические и эмиссионные свойства эрбий-цинк-свинцово-боратных стекол

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 12260 (2023) Цитировать эту статью

209 доступов

Подробности о метриках

Была предложена сетка основного стекла из 70B2O3–10Pb3O4–18ZnO–2Er2O3 (ErCoCu1) и широко изучено влияние 1 мол% ионов Co и/или Cu на ее структурные, термические, оптические и зелено-эмиссионные свойства. Спектры рентгеновской дифракции подтвердили аморфную структуру полученных стекол. Поведение плотности и параметров, основанных на плотности, показало, что ионы Co и/или Cu заполняют межузельные позиции предложенной сети ErCoCu1, вызывая ее компактность. И ATR-FTIR, и Raman Spectra подтвердили формирование фундаментальных структурных единиц боратной сети, связи B-O-B, BO3 и BO4. Кроме того, проникновение ионов Co и/или Cu внутрь ErCoCu1 преобразует тетраэдрические звенья BO4 в треугольник BO3, что приводит к его обогащению немостиковыми атомами кислорода. Добавление Co и/или Cu снижает температуру стеклования в результате превращения звеньев BO4 в BO3. Спектры оптического поглощения исходного стекла ErCoCu1 показали многие из выделенных полос поглощения иона Er3+. Проникновение иона Co создает две широкие полосы, что указывает на присутствие ионов Co2+ как в тетраэдрической, так и в октаэдрической координации, а также ионов Co3+ в тетраэдрической координации. В стеклах, легированных Cu, наблюдались характерные полосы поглощения Cu2+ и Cu+. Зеленое излучение генерировалось стеклом ErCoCu1 при длине волны возбуждения 380 нм. При этом не было зафиксировано существенного влияния Co и/или Cu на спектры излучения. Рассмотренные стекла обладали соответствующими свойствами, позволяющими использовать их в приложениях оптоэлектроники и нелинейной оптики.

Множественные степени окисления ионов переходных металлов TMI обогащают сети стекол многими оптическими, электрическими и магнитными свойствами1,2,3. Оптически TMI придают стеклянным сеткам различные зеркальные цвета, благодаря чему они обладают высокой способностью оптического поглощения в различных областях электромагнитного спектра, таких как УФ, видимая и ИК-области4,5,6. С точки зрения фотолюминесценции, ТМИ генерируют широкие полосы излучения с регулируемой длиной волны и соответствующим квантовым выходом7,8. В электрическом и магнитном отношении множественные состояния окисления TMI вносят существенные изменения в структурные единицы стеклянной сети, влияя на степень свободы заряда и спин, что, в свою очередь, напрямую влияет на процесс проводимости, а также на электрическую и магнитную природу стеклянной сети9,10. . Следовательно, стеклосодержащие TMI находят широкое применение в фотонике, электронике, оптоэлектронике и магнитных областях, таких как светоизлучающие диоды, оптические фильтры, твердотельные лазеры, электроника с переключением памяти, суперионные батареи, катализ, интеллектуальные электронные устройства и магнитная информация. хранилище11,12,13. Ионы кобальта (Co2+/Co3+) и меди (Cu+/Cu2+) являются одними из наиболее эффективных ионов переходных металлов, улучшающих свойства различных стеклянных сеток. Образование смешанных валентных состояний ионов кобальта (Co2+/Co3+) в октаэдрической (oh) и тетраэдрической (Td) геометрических формах внутри стеклянной сетки делает его подходящим материалом для солнечных селективных поглотителей, топливных элементов, материалов видимого и ближнего ИК-диапазона. , суперконденсаторы, газовые датчики и литий-ионные аккумуляторы. Кобальт придает стеклу синий или розовый цвет в зависимости от координации геометрической формы ионов Со2+ (тетраэдрическая или октаэдрическая) 14,15,16. Добавление ионов Cu к сеткам стекол приводит к образованию двух валентных состояний Cu+ и Cu2+ в процессе приготовления при нормальных условиях. Ионы Cu обычно придают сетке стекла синий или зеленый цвет. В целом образование иона двухвалентной меди Cu2+ можно определить по образовавшемуся цвету стекла. Кроме того, ион Cu2+ образует широкую полосу поглощения в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне, которая обычно возникает из-за октаэдрической координации Cu2+, тогда как ион одновалентной меди Cu+ имеет четко выраженную полосу поглощения в УФ-области. Эти полосы поглощения обычно используются для обнаружения присутствия Cu+ и Cu2+ внутри стеклянной сетки1,3,4,7. Редкоземельные ионы RE3+ обладают уникальными свойствами, главным из которых является свойство фотолюминесценции, что сделало их доминирующими во многих приложениях фотоники и оптоэлектроники17,18. Ион Er3+ относится к числу редкоземельных ионов, который характеризуется богатством энергетических уровней, что делает его уникальным излучателем света для различных областей спектра, таких как синий, зеленый, красный и белый свет17,18. Боратное стекло является одним из наиболее распространенных стекол благодаря своей высокой прозрачности и высокой термической стабильности, а также низкой температуре плавления, что облегчает процесс его изготовления. Однако из-за высокой энергии фононов, отрицательно влияющей на квантовый выход фотолюминесценции, боратное стекло армируется оксидами тяжелых металлов, такими как PbO и Bi2O319,20. С другой стороны, добавление PbO улучшает механические, термические и оптические свойства сетки боратного стекла19,20. Как правило, сетка боратного стекла, особенно армированного ионами тяжелых металлов, является уникальным хозяином для всех добавок стекла, таких как ионы щелочных металлов (Li+, Na+ и т. д.), ионы щелочноземельных металлов (Sr2+, Ba2+ и т. д.), ионы переходных металлов. (Zn2+, Co2+/Co3+, Cu+/Cu2+ и др.), ионы постпереходных металлов (Al3+, Bi3+ и др.) и ионы редкоземельных металлов (Er3+, Yb3+ и др.)21,22. Учитывая вышеупомянутые уникальные особенности и множество свойств, которые они придают стеклянным сеткам в зависимости от концентрации, типа стеклянной сетки и метода приготовления, исследования продолжают изучать эффективную роль ионов переходных металлов в улучшении свойств стекла. улучшить свои технологические показатели в различных областях. В 2023 г. О.И. Саллам с соавт. исследовали влияние четырех ионов переходных металлов (CuO, CoO, Fe2O3 и NiO) на фотолюминесценцию (ФЛ) и диэлектрические свойства 20NaF–60P2O5–20Na2O. Авторы обнаружили, что добавление CuO и Fe2O3 улучшает диэлектрические параметры рассматриваемого ими стекла, а CoO и NiO снижают проводимость на переменном токе. Их базовое стекло генерирует полосы излучения на 480 и 530 нм за счет накачки их волной возбуждения 457 нм. Положение и интенсивность полос свечения сильно зависели от типа примеси переходного металла1. Кун Лей и др. в 2023 г. методом ионного обмена приготовил базовое стекло Na2O–B2O3–SiO2 и изучил влияние ионов Cu+ на его структурные и люминесцентные свойства. Широкополосная сине-зеленая полоса с центром в 468 нм генерировалась при длине волны возбуждения 290 нм, и ее интенсивность менялась с увеличением времени ионного обмена7.