[论文解读] 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 14

一句话总结

本研究通过一种物理合成方法制备了掺杂最多13% Ce3+离子的10 nm YAG纳米颗粒，用于扫描近场光学显微镜中的发光探针。最佳发光性能出现在4%掺杂时，高浓度下由于非辐射跃迁路径和Ce3+离子掺杂效率低下导致发光猝灭，该结果通过阴极发光和卢瑟福背散射谱仪证实，发光增强与掺杂水平不成比例。

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.

研究动机与目标

• 开发稳定、高效且高Ce3+掺杂的YAG纳米光源，用于扫描近场光学显微镜（SNOM）。
• 研究Ce3+浓度对10 nm YAG纳米颗粒发光效率和结构稳定性的影响。
• 确定在不产生显著猝灭效应的前提下最大化发光量子产率的最优掺杂水平。
• 利用纳米阴极发光技术表征Ce3+掺杂和缺陷分布的空间均匀性。
• 阐明高掺杂水平下晶体畸变和Ce4+离子形成在发光猝灭中的作用。

提出的方法

• 采用无后处理的物理方法，制备掺杂浓度为0.2%、4%和13% Ce3+的10 nm YAG纳米颗粒。
• 通过元素分析和X射线衍射对结构和成分进行分析，评估结晶度和化学计量比。
• 利用时间分辨光致发光对发光性能进行表征，识别猝灭中心和不同类型的Ce3+离子种群。
• 同步使用阴极发光和卢瑟福背散射谱仪（RBS），在纳米尺度上关联发光强度与实际Ce3+浓度。
• 通过纳米阴极发光测绘评估发光性能和掺杂分布的空间均匀性。
• 通过光谱分析识别高掺杂水平下的Ce4+离子，表明三价离子的不完全掺杂。

实验结果

研究问题

• RQ1 在10 nm YAG纳米颗粒中，实现纳米光源最大发光效率的最优Ce3+掺杂浓度是多少？
• RQ2 在低掺杂水平下，晶体畸变如何影响Ce3+共掺YAG纳米颗粒的发光性能？
• RQ3 尽管掺杂量增加，为何在高Ce3+浓度（如13%）下发光效率反而下降？
• RQ4 发光量子产率在多大程度上与Ce3+浓度成正比？其偏离正比关系的原因是什么？
• RQ5 Ce3+离子及其相关缺陷在纳米颗粒中的分布是否具有空间均匀性？

主要发现

• 4% Ce3+掺杂时发光强度最高，13%掺杂时因猝灭效应导致发光显著下降。
• 在0.2%掺杂时，发光受到晶体畸变的强烈干扰，表明结构缺陷会降低发光效率。
• 在13%掺杂时，确认存在Ce4+离子，表明过量Ce无法有效以三价态掺入晶格。
• 发光量子产率的提升与Ce3+浓度的增加不成正比，低掺杂水平下发光增强幅度超过预期。
• 时间分辨光致发光分析揭示了两种不同的Ce3+离子种群，以及与结构缺陷相关的猝灭中心。
• 纳米阴极发光结果证实，发光性能及与掺杂相关的缺陷在纳米颗粒中分布均匀。