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ガラスセラミックス中の銀増感Yb発光
Ag-Sensitized Yb Emission in Glass-Ceramics.
PMID: 30424313 PMCID: PMC6187558. DOI: 10.3390/mi9080380.
抄録
レアアースドープ材料は、光増幅器やレーザー、周波数変換器、太陽集光器、量子情報記憶装置など、多くのフォトニックデバイスの開発において非常に重要な役割を果たしています。希土類イオンの中でも、イッテルビウムは最も頻繁に研究され、採用されています。イッテルビウムイオンの吸収・発光特性は、1.26eV(980nm)付近の光子エネルギーを含む2つのエネルギー準位²F(基底状態)と²F(励起状態)の間の遷移に関係しています。そのため、Ybは紫外線や可視光を直接吸収することができず、エネルギー移動中心として働くPr, Tm, Tbのような他の希土類イオンと組み合わせて使用されることが多い。しかし、これらのコドープ材料でも、吸収帯域が制限され、断面積が小さいという問題があります。本論文では、Agダイマー/マルチマーとYbイオンとの間の広帯域かつ効率的なエネルギー移動プロセスを報告し、紫外光励起下で980nm付近で強いPL発光を示すことを明らかにした。本研究では、YbイオンとNa₂Oをドープしたシリカ-ジルコニア(70%SiO₂-30%ZrO₂)ガラスセラミック膜をゾル-ゲル合成し、1000℃で熱アニールを行った。その後、溶融塩浴中でイオン交換することでAgを導入し、サンプルを大気中で430℃でアニールして金属の移動と凝集を誘導しました。その結果、Ag二量体/二量体からのエネルギー移動による希土類イオンの効率的な広帯域増感が可能であることが明らかになり、PV太陽電池や発光型近赤外(NIR)デバイスなどの様々な分野での応用が期待される。
Rare earth doped materials play a very important role in the development of many photonic devices, such as optical amplifiers and lasers, frequency converters, solar concentrators, up to quantum information storage devices. Among the rare earth ions, ytterbium is certainly one of the most frequently investigated and employed. The absorption and emission properties of Yb ions are related to transitions between the two energy levels ²F (ground state) and ²F (excited state), involving photon energies around 1.26 eV (980 nm). Therefore, Yb cannot directly absorb UV or visible light, and it is often used in combination with other rare earth ions like Pr, Tm, and Tb, which act as energy transfer centres. Nevertheless, even in those co-doped materials, the absorption bandwidth can be limited, and the cross section is small. In this paper, we report a broadband and efficient energy transfer process between Ag dimers/multimers and Yb ions, which results in a strong PL emission around 980 nm under UV light excitation. Silica-zirconia (70% SiO₂-30% ZrO₂) glass-ceramic films doped by 4 mol.% Yb ions and an additional 5 mol.% of Na₂O were prepared by sol-gel synthesis followed by a thermal annealing at 1000 °C. Ag introduction was then obtained by ion-exchange in a molten salt bath and the samples were subsequently annealed in air at 430 °C to induce the migration and aggregation of the metal. The structural, compositional, and optical properties were investigated, providing evidence for efficient broadband sensitization of the rare earth ions by energy transfer from Ag dimers/multimers, which could have important applications in different fields, such as PV solar cells and light-emitting near-infrared (NIR) devices.