Search

Luminiscenti materiāli tiek plaši izmantoti dažādu sensoru un optisko ierīču izgatavošanā. Lai izvērtētu luminoforu piemērotību konkrētiem pielietojumiem, ir nepieciešams apjaust tajos notiekošos luminiscences procesus. Šī maģistra darba ietvaros tika pētīti ar mangānu, eiropiju un hromu aktivētu alumīnija nitrīda (AlN) materiālu luminiscences mehānismi. Tika veikti materiālu rentgendifrakcijas, kā arī luminiscences, tās ierosmes un kinētiku mērījumi. No pētītajām vielām ar visintensīvāko aktivātora luminiscenci izcēlās AlN:Mn. Tam tika novērota arī ilga luminiscence pēc ierosinājuma pārtraukšanas – ilgspīde. Šī darba rezultāti var tikt tālāk izmantoti jaunu luminiscentu materiālu un ierīču izstrādei., Luminescent materials are commonly used in the production of sensors and optical devices. Understanding the luminescence processes that occur in phosphors is required to assess their suitability for specific applications. In the context of this master’s thesis, luminescence mechanisms of manganese, europium, and chromium-doped aluminum nitride (AlN) materials were investigated. The materials were studied using X-ray diffraction, as well as measurements of luminescence, its excitation, and kinetics. AlN:Mn had the most intense luminescence of the activator among the substances studied. It also demonstrated a long-lasting luminescence. The findings of this thesis can be used to create new luminescent materials and devices.

Darbā tika pētītas alumīnija nitrīta (AlN) nanopulvera spektrālās īpašības, tika izpētīta 420nm luminiscences josla un tās luminiscences mehānisms. Nanopulveris tika sintezēts Rīgas Tehniskās universitātes Neorganiskās ķīmijas institūtā, pulvera spektrālā analīze tika veikta Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūtā Platzonu materiālu laboratorijā. Tika pētīta plaša luminiscences josla 420nm rajonā un šīs joslas ierosmes spektri, tika secināts, 420nm luminiscences joslas galvenie ierosinošās gaismas viļņa garumi ir 265nm un 315nm. Tika mērīta 420nm joslas luminiscences temperatūras atkarība, lai izprastu defektu izvietojumu aizliegtajā zonā un precīzi aprakstītu luminiscences mehānismu, kas izraisa konkrēto luminiscences joslu. Tika apskatīta un izpētīta 420nm luminiscences joslas jutība uz gaisa sastāvā esošajām gāzēm. Tika noskaidrots, ka AlN nanopulvera 420nm luminiscences josla ir jutīga konkrēti uz gaisa sastāvā esošo skābekli. Tika veikta skābekļa jutības dozimetrija dažādās skābekļa gāzu koncentrācijās - 2%, 5%, 10%, 21%, 50% un 100%. Tika pārbaudīta rezultāta atkārtojamība, kas ir nozīmīga īpašība perspektīvai materiāla pielietojamībai optiskajos gāzu sensoros. Tika konstatēts, ka AlN nanopulvera 420nm luminiscences josla ir jutīga pret dažādām skābekļa koncentrācijām vidē un rezultātu atkārtojamība ir laba. Darbs satur 36 lappuses, 23 attēlus, 4 pielikumus, izmantoti 14 literatūras avoti., AlN nanopowder spectral characteristics are investigated in this work, 420nm luminescence band and its luminescence mechanism were investigated. Nanopowder was synthesized in Tehnical University of Riga Institute of Inorganic Chemistry, spectral analysis was done in University of Latvia Institute of Solid State Physics Laboratory of Wide Band Gap Materials. Wide luminescence band and its excitation spectrum in 420nm area was investigated, it was concluded that 420nm luminescence band main excitation light wave lengths are 265nm and 315nm. 420nm luminescence bands luminescence dependence on temperature is measured, so defects energy level arrangements in energy band gap and luminescence mechanism could be understood. 420nm luminescence bands sensitivity to gases that air contains was examined and investigated. It was clarified that AlN nanopowders 420nm luminescence band is sensitive specifically to oxygen that is containd in air. Oxygen gas dosimetry was made with different oxygen gas concentrations - 2%, 5%, 10%, 21%, 50% and 100%. Measurement repeatability, which is an important property for prospective application of the material in optical gas detectors, was tested. It was found that AlN nanopowders 420nm luminescence band is sensitive to different oxygen concentrations in environment and measurement repeatability is good. Work contains 36 pages, 23 illustrations, 4 annexes, 14 literature sources are used.

Darbā ir pētīta trīskomponenšu materiāla AlxGa1-xN fotoluminiscence plānām kārtiņam, kas ir sintezētas Nacionālā Taivānas Universitātē. Ir zināms, ka AlN un GaN kopā veido cieto šķīdumu ar homogēnu kristālisko struktūru, un jauktā materiāla aizliegtās enerģijas zonas platums Eg ir atkarīgs no Al un Ga proporcijām materiālā (Al daudzumu raksturo x). Mainot šīs proporcijas, ir iespējams mainīt materiāla Eg un līdz ar to arī tā īpašības. Ar aizliegtās zonas platumu Eg ir tieši saistīta eksitonu (pamatvielas ierosinājumu) luminiscence. Tādēļ luminiscences mērījumi ļauj raksturot izveidotos trīskomponenšu materiālus un sniedz informāciju par materiālu Eg. Tiek pētīta AlxGa1-xN eksitonu luminiscence četriem paraugiem ar dažādām mazām x vērtībām, kas nepārsniedz 0.1. Pētījumi tiek veikti plašā temperatūru rajonā no 300 K līdz 10 K., The aim of this work was to investigate of ternary AlxGa1-xN thin films photoluminescence spektra, synthesized in National Taiwan University. AlN and GaN being put together produce solid solution with homogeneous crystal structure and the width of the band gap Eg of this material is dependent on Al and Ga proportion (x characterizes amount of Al). By changing of this proportion it is possible to vary the width of the band gap Eg of material, consequently, its properties. Width of the band gap Eg directly influences luminescence of the bound exciton (intrinsic lattice excitation). In this way studies of luminescence allow characterization of ternary materials and provide information on the material band gap. Exciton luminescence samples with different small x values, not exceeding 0.1. The measurements are fulfilled in the broad temperature range 10 – 300 K.

Elektroniskā versija nesatur pielikumus, LUMINISCENCES PROCESI DAŽĀDI STRUKTURĒTOS BORA NITRĪDA MATERIĀLOS Anotācija Darbs ir veltīts heksagonālā bora nitrīda makromateriāla - polikristālisku graudu pulvera (hBN) un nanomateriāla – daudzsieniņu nanocauruļu (BNNTs) spektrālo īpašību izpētei. Darbā tika konstatēts, ka visos pētītajos materiālos defektu radītos fotoluminiscences (PL) spektrus veido vienas un tās pašas joslas, no kurām intensīvākās atrodas pie 320 nm un 400 nm. Tas ļauj secināt, ka vieni un tie paši dabīgie defekti rodas BN kristāliskā režģī jau sintēzes procesā. Tie ir raksturīgi gan makromateriālam, gan arī nanomateriālam un tos neietekmē materiāla izmērs. Tika atrasts, ka 320 nm un 400 nm luminiscences un tās ierosmes joslām ir novērojama sīkstruktūra. Veiktie IR absorbcijas pētījumi parādīja, ka šo sīkstruktūru rada optiskie fononi (LO un TO). Tika novērots, ka minētās luminiscences joslas ierosina arī pamatvielas eksitoni un notiek eksitonu enerģijas atdeve defektiem, tos ierosinot un izraisot luminiscenci. Veiktie spektrālie pētījumi ļauj noteikt luminiscences mehānismu 320 nm un 400 nm joslām hBN un BNNTs. Galveno 320 nm luminiscences daļu veido iekšcentra procesi, kur gaismas absorbcija un emisija notiek vienā un tai pašā piemaisījuma atomā. Galveno 400 nm luminiscences daļu veido rekombinācijas procesi. hBN un BNNTs novērotā 400 nm luminiscences intensitātes atkarība no skābekļa daudzuma apkārtējā vidē un konstatētā mērījumu atkārtojamība ļauj šo materiālu piedāvāt izmantošanai skābekļa sensoros., LUMINESCENCE PROCESSES IN DIFFERENT STRUCTURED BORON NITRIDE MATERIALS Abstract This work is devoted to studies of spectral properties of hexagonal boron nitride macro material– polycrystalline grain powder (hBN) and nano material – multiwall nanotubes (BNNTs). In the work it was found that in all studied materials photoluminescence spectra contain the same bands, the most intensive bands are located at 320 nm and 400 nm. It allows concluding that identical natural defects are generated in BN crystal lattice during synthesis process. They are characteristic both to macro and nano material and they are not affected by the size scale. It was found that 320 n and 400 nm bands and their excitation bands have fine structure. The fulfilled IR absorption studies have shown that the fine structure is caused by optical phonons (LO and TO). It was observed that the mentioned luminescence bands are excited also by host lattice excitons, exciton energy being transferred to defects, exciting them and causing luminescence. The fulfilled spectral measurements allow determining luminescence mechanism for 320 nm and 400 nm bands in hBN and BNNTs. The main contribution to 320 nm luminescence is made by intracenter processes, when light absorption and emission occurs in one and the same impurity atom. The main contribution to 400 nm luminescence is made by recombination processes. Dependence of 400 nm luminescence intensity on oxygen concentration in ambient atmosphere observed for hBN and BNNTs allows proposing of this material for application as oxygen sensor.

Darbā ar ir pētīta AlN nanopulvera un makropulvera luminiscence plašā temperatūru rajonā no 8 K līdz 300 K. Tika mērīti fotoluminiscences un tās ierosmes spektri. Ir atrasts, ka abos materiālos vieni un tie paši defekti rada galvenās luminiscences joslas pie 420 nm un 480 nm, kas ir jau zināmas AlN keramikā. 420 nm luminiscenci saista ar skābekli saturošiem centriem materiāla tilpumā, bet 480 nm luminiscenci – ar līdzīgiem virsmas defektiem. Luminiscences ierosmes spektros bez jau zināmām joslām pie 250 nm un 280 nm, kas atbild par 420 nm un 480 nm luminiscenci, tika atrastas jaunas 320 nm un 340 nm joslas. Šīs ierosmes joslas mēs saistām ar luminiscences centra tiešu ierosināšanu enerģijas līmenī, no kura notiek luminiscences izstarošana. Palielinoties temperatūrai no 8 K līdz 300 K, 420 nm un 480 nm luminiscences intensitāte samazinās, ko var saistīt ar temperatūras izraisītu bezizstarojuma procesu īpatsvara palielināšanos luminiscences procesos. Iegūtie rezultāti ļauj prognozēt, ka gan AlN nanopulveris gan arī AlN makropulveris varētu būt perspektīvi materiāli jaunu redzamās gaismas avotu izveidei., Photoluminescence of AlN nanosize powder and bulk AlN powder was investigated within a wide temperature range between 8 K and 300 K. The photoluminescence spectra and its excitation spectra were studied. It was found that in these two materials the same defect types are present responsible for two main luminescence bands at 420 nm and 480 nm known from AlN ceramics. The 420 nm band is attributed to oxygen-related defects within the material volume, whereas the 480 nm band – to the surface defects with similar structure. Two new luminescence excitation bands at 320 nm and 340 nm were found together with those well known bands at 250 nm and 280 nm responsible for the 420 nm and 480 nm luminescence, respectively. These new luminescence excitation bands could be related to direct excitation of the defect energy level responsible for emission. It was observed that the intensity of 420 nm and 480 nm luminescence decreases when temperature increases from 8 K up to 300 K. The results obtained allows proposal that both the AlN nanosize powder and bulk AlN powder are prospective materials for application in new light emitting materials useful for visible light sources.

Darbā tika pētītas Aldrich firmā ražota h-BN pulvera spektrālās īpašības. Šis h-BN pulveris tika lietots kā izejmateriāls bora nitrīda nanomateriālam (h-BN-NTs), kas sastāv no vienas sieniņas un daudzsieniņu BN nanocaurulēm un neliela daudzuma izejmateriāla makroizmēra graudiem. h-BN-NTs nanomateriāla un Baltkrievijā ražota h-BN makroizmēru pulvera spektrālās īpašības nesen tika pētītas mūsu laboratorijā, un pašreizējo darbu var uzskatīt kā tiešu šo iepriekšējo pētījumu turpinājumu. Iepriekš tika atklāts, ka h-BN-NTs materiālā platā 395 nm fotoluminiscences (PL) josla ar savu ierosmes joslu pie 260 nm raksturo nanocauruļu luminiscenci. Tāda pati PL josla tika atklāta h-BN makroizmēru pulverī, kur tā tika piedēvēta nanoarku luminiscencei, kas atrodas uz materiāla graudu virsmām. Pašreizējais pētījums ir veltīts fotoluminiscences un tās ierosmes īpašību izzināšanai pie istabas un šķidrā slāpekļa temperatūrām Aldrich firmas h-BN makroizmēru pulverī, kā arī optiski stimulētās luminiscences izpētei. Tika atklāts, ka 395 nm PL josla ir salikta. Tā sastāv vismaz no 4 apakšjoslām. Blakus novietotās apakšjoslas atdala ~ 0.16/0.17 eV enerģijas intervāls. Katra no PL apakšjoslām ierosinās vienā un tai pašā 260 nm ierosmes spektra joslā, kā arī pie 205 nm, un šo pēdējo ierosmi saista ar eksitonu procesiem. Lai atklātu PL apakšjoslu izcelsmi, tika lietotas infrasarkanās gaismas absorbcijas pētījumu metodes. Tika atklāts, ka par 395 nm PL apakšjoslu izcelsmi ir atbildīgi optiskie fononi. h-BN pulverī pirmo reizi tika novērota optiski stimulētā luminiscence (OSL). OSL spektrā tā pati 395 nm josla ir galvenā , kas PL, un arī OSL ierosmes josla atrodas pie 260 nm. Šie rezultāti ļauj secināt, ka h-BN OSL veidošanā piedalās tie paši defekti, kas ir atbildīgi par PL., Spectral characteristics of h-BN powder made in Aldrich Corporation were studied. This h-BN powder was used as a raw material for synthesis of boron nitride nanotube (h-BN-NTs) mixed material, consisting of single walled and multiwalled BN nanotubes containing also a small amount of the macro-sized raw material grains. The spectral characteristics of the h-BN-NTs and h-BN macro-sized powder made in Belarus have been recently studied in our laboratory and the present investigations directly continue these investigations. It was found that in the h-BN-NTs material the wide 395 nm photoluminescence (PL) band with its direct excitation at 260 nm could be related to the nanotube luminescence. The same PL band was found in the h-BN macro-sized powder and its origin was related to the nanoarch luminescence from the surface of the material grains. The present work contains the studies of photoluminescence and its excitation characteristics at room and liquid nitrogen temperature as well as characterization of optically stimulated luminescence (OSL) at room temperature of h-BN macro-sized powder (made in Aldrich Corporation). It was found that the wide 395 nm PL band is complex. It consists at least of four subbands. The energy separation between two neighbors is ~ 0.16/0.17 eV. Each of these subbands can be excited in the same 260 nm excitation band and at 205 nm related to the exciton processes. The method of the infrared light absorption spectroscopy was used to reveal the nature of these PL subbands. It was obtained that the subbands observed within the 395 nm PL band could be related to the optical phonon structure. The optically stimulated luminescence (OSL) of h-BN for the first time was observed. The same 395 nm emission band is predominant in the OSL spectra and its excitation also is located at 260 nm like in the case of the PL. It allows a conclusion that the same defects are participating in the OSL formation like in the case of direct PL.