Люминесцентное вещество

Изобретение относится к материалам квантовой электроники, лазерной оптики, функциональной электроники и может быть использовано в оптических устройствах, в качестве активных сред низкопороговых твердотельных лазеров инфракрасного диапазона с оптической накачкой, в устройствах информатики и лазерной техники для отображения знаковой, графической и телевизионной информации, в качестве сцинтилляторов.

Цель изобретения - увеличение интенсивности люминесценции на длине электронного перехода ⁴F_3/2→⁴I_11/2 иона неодима.

Поставленная цель достигается тем, что люминесцентное вещество состоит из нового соединения вольфраматомолибдата состава Li3Ba₂Gd₃(WO₄)(MoO₄)₇ со слоистой шеелитоподобной структурой, легированного ионами Nd³⁺ Люминесцентное вещество имеет формулу Li₃BaGd_3-xNd_x(WO₄)(MoO₄)₇(0.02≤x≤0.07).

Аналогами предлагаемого люминесцентного вещества являются люминофоры на основе средних [1] и двойных молибдатов [2], имеющих шеелитоподобную структуру (1. Каминский А.А. Физика и спектроскопия лазерных кристаллов. – М.: Наука. 1986. С. 5-61.) и двойных молибдатов (2. Балакирева Т.П., Брискина И.М., Вакулюк Е.А. и др. Люминесценция и стимулированное излучение монокристаллов BaGd_2-xNd_x(MoO₄)_4. Квантовая электроника. 1981. Т. 8. №3. С. 656-660), имеющих шеелитоподобную структуру.

Недостатком этих люминофоров является относительно низкая интенсивность люминесценции ионов Nd³⁺ за счет концентрационного тушения, а также низкий коэффициент преобразования световой энергии.

Наиболее близким по качественному составу люминесцентного вещества по изобретению - прототипом - является лазерное вещество на основе тройного молибдата Li₃Ba₂Ln_3-xNd_x (MoO₄)₈. Ln - La, Gd, Y, Lu, (0.06 ≤x≤0.15), в пересчете на оксиды состав лазерного вещества соответствует, масс. %: Li₂O 6.25-6.62, ВаО 8.68-9.17, Ln₂O₃ 6.47-10.95, Nd₂O₃ 0.31-0.73, МоO₃ остальное (3. Кожевникова Н.М. «Люминесцентное вещество». Патент РФ на изобретение №2548086 от 18.03.2015. Бюл. №10).

Недостатком этого материала является невысокая интенсивность люминесценции Nd³⁺, низкий энергосъем вследствие концентрационного тушения.

Увеличение интенсивности люминесценции на длине электронного перехода ⁴F_3/2 - ⁴I_11/2 иона неодима достигается тем, что люминесцентное вещество, содержащее оксиды лития, бария, гадолиния, неодима, молибдена, дополнительно содержит оксид вольфрама, образуя при этом новое вещество состава Li₃Ba₂Gd_3-xNd_x(WO₄)(MoO₄)₇ (0.02≤x≤0.07)), в пересчете на оксиды состав люминесцентного Li₃Ba₂Gd_3-xNd_x(WO₄)(MoO₄)₇ вещества соответствует, масс. %: Li₂O 2.12-2.15, ВаО 14.68-14.73, Gd₂O₃ 24.73-24.98, Nd₂O₃ 0.62-1.21, WO₃ 5.55-5.57, МоO₃ остальное.

Люминесцентное вещество Li₃Ba₂Gd_3-xNd_x(WO₄)(MoO₄)₇ (0.02≤х≤0.07) кристаллизуется в слоистой шеелитоподобной структуре, принадлежит к структурному типу моноклинно искаженного шеелита, пр. гр. С2/с, изоструктурно Li₃Ba₂R₃(MoO₄)₈, R - La, Gd, Y, Lu. В структуре Li₃Ba₂Gd_3-xNd_x(WO₄)(MoO₄)₇, легированном Nd³⁺, реализуются сотоподобные слои из Gd - восьмивершинников, к обеим сторонам слоя присоединяются W и Мо-тетраэдры через общие кислородные вершины. Атомы лития занимают различные кристаллографические позиции, треть атомов лития статистически располагается по позициям гадолиния с к.ч. = 8. Оставшиеся 2/3 атомов лития локализованы в частной позиции на оси второго порядка с октаэдрической координацией по кислороду [3]. Атомы Ва имеют координацию 10 и находятся между слоями, образованными полиэдрами W, Mo и Gd. Кристаллохимическая формула соединений может быть записана в виде Li₂(Ba_0.85 Gd_0.15)₂(Gd_0.675Ba_.0.075Li_0.25)₄(WO₄)(MoO₄)₇.

Соотношение заявляемых составов обусловлено областью фазовой однородности Li₃Ba₂Gd_3-xNd_x(WO₄)(MoO₄)₇ (0.02≤х≤0.07) образующегося в системе Li₂O - ВаО - Gd₂O₃ - Nd₂O₃ - WO₃ - МоO₃.

Пример 1. Шихту состава, масс. %: Li₂O 2.12, ВаО 14.73, Gd₂O₃ 24.73, Nd₂O₃ 0.62, WO₃ 5.57, МоO₃ остальное, гомогенизируют путем многократного перетирания в агатовой ступке со спиртом и проводят двухступенчатый отжиг при 450-550°С в течение 45-50 ч и 700-750°С в течение 70-80 ч. Полученное люминесцентное вещество имеет интенсивность люминесценции на длине электронного перехода ⁴F_3/2→⁴I_11/2 иона неодима в 1.65 раза выше, чем прототип, и в 1.75 раз выше, чем базовый объект квантовой электроники Y₃Al₅O₁₂ Nd³⁺ (1.5 ат./%), что показано в таблице.

Пример 2. Шихту состава, масс. %: Li₂O 2.15, ВаО 14.71, Gd₂O₃ 24.98, Nd₂O₃ 0.91, WO₃ 5.56, МоO₃ остальное, готовили по технологии, описанной в примере 1. Полученное люминесцентное вещество имеет интенсивность люминесценции на длине волны электронного перехода ⁴F_3/2→⁴I_11/2 в 1.78 раза выше, чем прототип, и в 1.88 раза выше, чем базовый люминофор квантовой электроники Y₃Al₅O₁₂:Nd³⁺ (1.5 мол. %). Результаты измерений интенсивности люминесценции Nd³⁺ приведены в таблице.

Пример 3. Шихту состава, масс. %: Li₂O 2.14, ВаО 14.71, Gd₂O₃ 24.86, Nd₂O₃ 1.21, WO₃ 5.55, MoO₃ остальное, готовили по технологии, описанной в примере 1. Полученное люминесцентное вещество имеет интенсивность люминесценции на длине волны электронного перехода ⁴F_3/2→⁴I_11/2 в 1.82 раза выше, чем прототип, и в 1.93 раза выше, чем базовый люминофор квантовой электроники Y₃Al₅O₁₂:Nd³⁺ (1.5 мол. %). Результаты измерений интенсивности люминесценции Nd³⁺ приведены в таблице.

Уменьшение содержания оксида лития ниже 2.12 масс. % приводит к нарушению однородности люминесцентного вещества и ухудшает его оптическое качество. Увеличение содержания оксидов гадолиния и оксидов бария выше 24.98 и 14.73 масс. % соответственно способствует образованию второй фазы Gd₂(MoO₄)₃ или ВаМоO₄, что приводит к многофазности люминесцентного вещества и ухудшает его оптическое качество.

Сравнительные характеристики заявляемых составов

Как следует из полученных результатов, техническим результатом изобретения является повышение интенсивности люминесценции ионов неодима. В интервале 2-7 мол. % Nd³⁺ интенсивность люминесценции люминесцентного вещества состава Li₃Ba₂Gd_3-xNd_x(WO₄)(MoO₄)₇ (0.02≤х≤0.07) превышает интенсивность базового люминофора квантовой электроники и прототипа. Полученное люминесцентное вещество может найти применение в качестве ИК-люминофора, а при условии получения кристаллов высокого оптического качества, устойчивых к влиянию внешних воздействий температуры и влаги, возможно применение в качестве лазерного материала.