[論文レビュー] YAG nano-light sources with high Ce concentration

Bruno Masenelli, Oriane Mollet+6 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2013

Quantum Dots Synthesis And Properties被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、走査近接場光学顕微鏡（SNOM）用発光プローブとして使用を目的として、物理的合成法を用いて最大13%のCe3+イオンでドーピングされた10 nm YAGナノ粒子を開発した。最適な発光は4%ドーピングで観察され、非放射的衰えの経路と効率の悪いCe3+の組み込みが原因で、高濃度では発光の抑制が生じた。これは、陰極ルミネッセンスとラザフォードバックスキャッタリング分光法により確認され、ドーピングレベルに比例しない発光強度の増加が示された。

ABSTRACT

We investigate the luminescence properties of 10 nm YAG nanoparticles doped with Ce ions at 0.2%, 4% and 13% that are designed as active probes for Scanning Near field Optical Microscopy. They are produced by a physical method without any subsequent treatment, which is imposed by the desired application. The structural analysis reveals the amorphous nature of the particles, which we relate to some compositional defect as indicated by the elemental analysis. The optimum emission is obtained with a doping level of 4%. The emission of the YAG nanoparticles doped at 0.2% is strongly perturbed by the crystalline disorder whereas the 13% doped particles hardly exhibit any luminescence. In the latter case, the presence of Ce4+ ions is confirmed, indicating that the Ce concentration is too high to be incorporated efficiently in YAG nanoparticles in the trivalent state. By a unique procedure combining cathodoluminescence and Rutherford backscattering spectrometry, we demonstrate that the enhancement of the particles luminescence yield is not proportional to the doping concentration, the emission enhancement being larger than the Ce concentration increase. Time-resolved photoluminescence reveals the presence of quenching centres likely related to the crystalline disorder as well as the presence of two distinct Ce ions populations. Eventually, nano-cathodoluminescence indicates that the emission and therefore the distribution of the doping Ce ions and of the defects are homogeneous.

研究の動機と目的

• 走査近接場光学顕微鏡（SNOM）用に安定的で高効率の、高濃度Ce3+ドーピングYAGナノ光源を開発すること。
• 10 nm YAGナノ粒子におけるCe3+濃度が発光効率および構造的安定性に与える影響を調査すること。
• 発光収率を最大限に高めつつ顕著なクエンチング効果がない最適ドーピングレベルを特定すること。
• ナノ陰極ルミネッセンスを用いて、Ce3+ドーピングおよび欠陥分布の空間的均一性を特徴付けること。
• 高濃度ドーピングにおける結晶性の不備およびCe4+の生成が発光クエンチングに果たす役割を明確にすること。

提案手法

• 後処理を施さない物理的手法を用いて、0.2%、4%、13%のCe3+濃度でドーピングされた10 nm YAGナノ粒子の合成。
• 元素分析およびX線回折を用いた構造的・組成的分析により、結晶性および化学 stoichiometry の評価。
• 時間分解光励起分光法を用いた発光特性の特徴付けにより、クエンチング中心および明確に区別できるCe3+イオン集団の特定。
• 発光強度とナノスケールでの実際のCe3+濃度を相関付けるために、同時に陰極ルミネッセンスとラザフォードバックスキャッタリング分光法（RBS）を用いる。
• ナノ陰極ルミネッセンスマッピングを用いて、発光およびドーピング関連欠陥の空間的均一性を評価。
• スペクトロスコピック分析により、高濃度ドーピング時におけるCe4+イオンの同定を行い、三価状態への不完全な組み込みを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10 nm YAGナノ粒子における最大の発光効率を実現するための最適なCe3+ドーピング濃度は何か？
• RQ2 低濃度ドーピング時における結晶性の不備は、Ce3+ドーピングYAGナノ粒子の発光特性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 ドーパント含有量が増加しているにもかかわらず、高濃度Ce3+濃度（例：13%）で発光効率が低下するのはなぜか？
• RQ4 発光収率はCe3+濃度に比例する程度はどの程度か？また、比例から逸脱する原因は何か？
• RQ5 ナノ粒子内におけるCe3+イオンおよび関連欠陥の分布は空間的に均一か？

主な発見

• 最大の発光強度は4% Ce3+ドーピングで達成され、13%ドーピングではクエンチング効果により発光が著しく低下した。
• 0.2%ドーピング時、発光は結晶性の不備によって強く摂動されており、構造的欠陥が発光効率を低下させていることが示された。
• 13%ドーピング時、Ce4+イオンの存在が確認され、過剰なCeが三価状態で効率的に組み込まれていないことが示された。
• 発光収率の増加はCe3+濃度の増加に比例せず、低濃度ドーピング時においては予想を上回る発光増加が観察された。
• 時間分解光励起分光法により、2つの明確に異なるCe3+イオン集団および構造的欠陥に関連するクエンチング中心の存在が判明した。
• ナノ陰極ルミネッセンスにより、ナノ粒子全体にわたり発光およびドーピング関連欠陥の均一な分布が確認された。