[논문 리뷰] Undoped and Eu, Na co-doped LiCaAlF6 scintillation crystals: paramagnetic centers, charge trapping and energy transfer properties

M. Buryi, V. V. Laguta외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 23.

Inorganic Fluorides and Related Compounds참고 문헌 67인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 EPR, TSL 및 RL을 이용하여 덜 도핑된 및 Eu, Na 공도핑된 LiCaAlF6闪烁 결정에서 반대칭 중심, 전하 트랩 및 에너지 전달 메커니즘을 규명한다. 두 개의 정공 유사 트랩(ClF⁻ 및 F₂²⁻)이 식별되었으며, 각각 1.7 ± 0.1 eV 및 1.1 ± 0.1 eV의 트랩 깊이를 가지며, Ca²⁺ 및 Li⁺ 위치에 있는 Eu²⁺가 확인되었으며, Na 공도핑으로 인해 Li 위치에 있는 Eu²⁺ 중심이 억제되고 380 nm 방출 밴드가 향상된다.

ABSTRACT

Single crystals of LiCaAlF6 undoped and Eu, Na co-doped were studied by electron paramagnetic resonance, radioluminescence and thermally stimulated luminescence techniques applied in a correlated manner. The undoped samples exposed to X-ray irradiation exhibited two hole-like charge trapping centers creation, the molecular ions of the form: ClF- and F2^- - F2^- dimer. Their trap depths and frequency factors were determined as follows: Et1=1.7 eV and Et2=1.1. eV for trap depths and f ~ 10^13 s-1 for frequency factor, respectively. It was found that the europium preferable charge state is 2+ in the LiCaAlF6:Eu,Na samples, however, some amount of the Eu3+ is also present. Moreover, there were two Eu2+ centers: the dominating Eu2+(Ca) and the low-content Eu2+(Li). The amount of the latter is easily governed by the sodium admixture while the former is insensitive to the Na co-doping. Eu and Na co-doping affected the defects distribution and incorporation in the LiCaAlF6 host.

연구 동기 및 목표

• 덜 도핑된 LiCaAlF6에서 X선 유도 반대칭 중심을 규명하고 특성화한다.
• LiCaAlF6 기질 격자 내에서 Eu²⁺ 및 Eu³⁺ 이온의 전하 상태와 국소 대칭을 결정한다.
• Na 공도핑이 LiCaAlF6 내 Eu 도핑 및 결함 분포에 미치는 영향을 조사한다.
• EPR, TSL 및 방사광학 데이터를 연계하여 에너지 전달 및 전하 트랩 메커니즘을 이해한다.

제안 방법

• X선 조사 이전 및 이후에 반대칭 중심을 탐지하고 특성화하기 위해 전자 스핀 공명(EPR)을 사용하였다.
• 가열 곡선 분해를 통해 트랩 깊이 및 빈도 요소를 결정하기 위해 열자극형 발광(TSL) 측정을 수행하였다.
• 방출 밴드를 규명하고 EPR 신호와 연계하기 위해 방사광학(RL) 분광법을 사용하였다.
• 샘플은 X선 조사 중 77 K로 냉각되었고, 이후 열처리하여 EPR 신호 감쇠 및 TSL 강도 변화를 모니터링하였다.
• Eu²⁺ 중심의 스핀-哈밀토니안 파라미터를 Ca²⁺ 및 Li⁺ 위치에서 결정하여 국소 대칭성과 배위를 확인하였다.
• EPR 강도, RL 방출 및 TSL 광점 간의 상관관계를 설정하여 결함 상태와 발광 효율을 연결하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 덜 도핑된 LiCaAlF6에서 X선 유도 반대칭 중심의 성격과 전자 구조는 무엇인가?
• RQ2 LiCaAlF6 격자 내에서 Eu²⁺ 및 Eu³⁺ 이온의 선호 전하 상태와 국소 환경은 무엇인가?
• RQ3 Na 공도핑은 다양한 격자 위치에서 Eu²⁺의 도핑 및 결함 분포에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 특정 EPR 활성 결함(F₂²⁻, ClF⁻ 등)과 해당하는 TSL 광점 간의 관계는 무엇인가?
• RQ5 Eu 및 Na 공도핑은 LiCaAlF6 섬광체 내 에너지 전달 및 전하 트랩에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 두 개의 정공 유사 전하 트랩이 식별되었으며, 각각 트랩 깊이가 1.7 ± 0.1 eV인 ClF⁻ 및 1.1 ± 0.1 eV인 F₂²⁻이다.
• 두 트랩의 빈도 요소는 약 ~10¹³ s⁻¹로 결정되었다.
• 주요 Eu²⁺ 중심은 Ca²⁺ 위치에 존재하며(2+1CaEu), 소수의 부분은 Li⁺ 위치에 존재한다(2+2LiEu)로, Na 공도핑으로 인해 억제된다.
• 380 nm의 방사광학 밴드는 Ca²⁺ 위치에 있는 Eu²⁺ 중심에 기인하며, 약한 420 nm 밴드는 Li⁺ 위치에 있는 Eu²⁺ 중심에 기인한다.
• RL 스펙트럼에서 Eu³⁺가 검출되어 Eu가 주로 이가성임을 확인하나, 소수의 삼가성 성분이 존재함을 시사한다.
• Na 공도핑은 F₂²⁻ 붕괴와 관련된 360 K TSL 피크를 강화하고 ClF⁻ 붕괴와 관련된 490 K 피크를 억제하여 결함 역학이 변화함을 나타낸다.