Propiedades ópticas y estructurales de películas delgadas de óxido de hafnio HfO2 impurificadas con iones de tierras raras: Europio Eu3+ y Terbio Tb3+

Abstract

RESUMEN: El desarrollo de nuevos materiales capaces de generar y combinar luz de distintos colores tiene aún cierto interés en la actualidad tanto en el aspecto básico como en el tecnológico. Con este propósito, en este trabajo utilizamos la técnica de ablación láser para producir películas delgadas luminiscentes de óxido de hafnio HfO2 activadas ópticamente con iones de tierras raras, Eu3+, Tb3+ y Eu3+ + Tb3+. Encontramos las condiciones experimentales apropiadas como la intensidad del láser, temperatura del substrato, tiempo de depósito y el vacío para obtener películas delgadas, transparentes, de baja rugosidad y con emisiones luminiscentes. Las condiciones que encontramos para su formación fueron las siguientes: potencia del láser 250 mJ, tiempo de depósito 30 minutos, temperatura promedio de 700 oC en substratos de cuarzo en un vacío de 1×10-6 Torr. Efectuamos la caracterización estructural de las películas con difracción de rayos X y espectroscopía Raman obteniendo evidencia de que cristalizaron en la fase monoclínica del HfO2 y la presencia de diez bandas Raman-activas. El tamaño promedio de los cristales en las películas fue de 17 nm. Los espectros de transmisión indican una alta transparencia en el visible y una rugosidad promedio de 11.4 nm. Calculamos el ancho de la banda prohibida de distintas películas a partir de las mediciones de transmisión encontrando valores entre 5.77 y 5.86 eV. Obtuvimos los espectros luminiscentes con las bandas características del europio la más intensa en 614 nm (5D0→7F2) y las del terbio con la banda principal en 545 nm (5D4→7F5) y una banda azul centrada en 385 nm correspondiente a la matriz. También presentamos los diagramas cromáticos calculados a partir de los espectros luminiscentes. Una vez que hemos obtenido películas que emiten fuertemente en el rojo y verde, sintetizamos películas con ambos iones dopantes, las cuales emiten simultáneamente estos dos colores y la emisión de color azul intrínseca de la matriz. El origen de estas emisiones azules se deben probablemente a vacancias de oxígeno en esta matriz. Obtuvimos así, una emisión conjunta de los colores primarios rojo, verde y azul la cual se percibe como color blanco de coordenadas cromáticas (x = 0.317, y = 0.333) cuando la excitación es de 320 nm o electrones de 7 keV de energía.

ABSTRACT:

In this work we investigate the luminescent properties of HfO2 films doped with Eu3+, Tb3+ and Eu3+ + Tb3+ ions excited through photoluminescence and cathodoluminescence. These films were synthesized by the pulsed laser ablation technique and structura lly studied by X-ray diffraction and Raman spectroscopy; the surface morphology was observed by scanning electron and atomic force microscopies. The optical transmittance was measured as well. The crystalline phase observed was the monoclinic of the HfO2. The surface morphology of the films exhibited a low roughness, as measured by atomic force microscopy. These films show a high transparency in the visible region. The emission spectra show bands centered at 598, 614 (strongest emission), and 631 nm for the HfO2:Eu3+ films under excitation of 267 nm. HfO2:Tb3+ films when excited at 277 nm exhibit emission bands centered at 491, 543(dominant emission), 551 and 586 nm. In the case of co-doping with Eu3+ and Tb3+ ions white emission was observed under excitation with 320 nm, as indicated by the CIE chromaticity diagram.