YbEr共添加ナノ微結晶Siにおける赤外発光のセンシタイゼイションに関する研究

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14550015
• 研究機関: 東洋大学
• 研究代表者: 小室 修二 東洋大学, 工学部, 教授 (90120336)
• 研究分担者: 森川 滝太郎 東洋大学, 工学部, 教授 (80191013)
• キーワード: ナノ微結晶 / Siナノ微結晶 / 希土類元素 / イッテリビウム / エルビウム / レーザーアブレーション

研究概要

本年度は次のことが明らかになった。
1)nc-Si:Yb(Yb添加量1wt%)薄膜、nc-Si:Er(Er添加量1wt%)薄膜、nc-Si:YbEr(Yb添加量1wt%およびEr添加量1wt%)薄膜の3種類の試料に関して、赤外発光スペクトルを測定した。Yb^<3+>イオンの励起準位(^2F_<5/2>)は、Er^<3+>イオンの第2励起準位(^4I_<11/2>)よりも5meVだけ、高いエネルギー位置にあることが明らかになった。この結果は、母材であるSi中に生成された電子・正孔対の消滅エネルギーが、Yb^<3+>イオンの励起準位(^2F_<5/2>)を介することにより、母材料→Yb^<3+>イオン(^2F_<5/2>)→Er^<3+>イオン(^4I_<11/2>)→Er^<3+>イオン(^4I_<13/2>)→1.54μm発光→Er^<3+>イオン(^4I_<15/2>)への効率良いエネルギー移動を示している。実際に^4I_<13/2>→^4I_<15/2>遷移として現れる1.54μm帯のEr^<3+>イオンの発光強度を、nc-Si:Er薄膜とnc-Si:YbEr薄膜とで比較した結果、YbをErに共添加することで2.5倍の増強(センシタイゼイション)を得た。
2)nc-Si:Yb(0.2wt%)Er(0.2wt%)薄膜では、センシタイゼイション効果は1.1倍、およびnc-Si:Yb(3wt%)Er(3wt%)薄膜では1.6倍であった。Er^<3+>の1.54μm発光をセンシタイズさせるための最適Yb添加量は、Yb(1wt%、1.4×10^<19>cm^<-3>)であることを明らかにした。5)nc-Si:Yb(0.2wt%)Er(0.2wt%)薄膜では、センシタイゼイション効果は1.1倍、およびnc-Si:Yb(3wt%)Er(3wt%)薄膜では1.6倍であった。Er^<3+>の1.54μm発光をセンシタイズさせるための最適Yb添加量は、Yb(1wt%、1.4×10^<19>cm^<-3>)であることを明らかにした。
3)Er^<3+>の1.54μm発光の励起スペクトル(PLE)測定を、Yb^<3+>の励起準位(^2F_<5/2>)とEr^<3+>の第2励起準位(^4I_<11/2>)を含む波長領域で行った。nc-Si:Yb(1wt%)Er(1wt%)薄膜での吸収帯が最も大きいことは、前述したEr^<3+>イオンの発光強度のセンシタイゼイションの効果を支持している。本研究により、Er添加nc-Si薄膜において観測されるEr^<3+>イオンの1.54μm発光(^4I_<13/2>→^4I_<15/2>遷移)を、Yb^<3+>イオンを共添加することで、センシタイズすることが明らかになった。

研究成果

• [文献書誌] M.Ishii, S.Komuro, T.Morikawa: "Study on atomic coordination around Er doped into anatase- and rutile- TiO_2:Er-O clustering dependent on the host crystal phase"Journal of Applied Physics. 94. 3823-3827 (2003)
• [文献書誌] H.Uchiyama, H.Aizawa, T.Katsumata, S.Komuro, et al.: "Fiber-optic thermometer using Cr-doped YAlO_3 sensor head"Review of Scientific Instruments. 74. 3883-3885 (2003)
• [文献書誌] T.Katsumata, R.Sakai, S.Komuro, T.Morikawa: "Thermally stimulated and photostimulated luminescence from long duration phosphorescent SrAl_2O_4:Eu,Dy"Journal of the Electrochemical Society. 150(5). H111-H114 (2003)
• [文献書誌] S.Komuro, T.Katsumata, H.Kokai, T.Morikawa, X.Zhao: "Change in photoluminescence from Er-doped TiO_2 thin films induced by optically assisted reduction"Applied Physics Letters. 81. 4733-4735 (2002)
• [文献書誌] H.Aizawa, T.Katsumata, S.Komuro, et al.: "Fiber-optic thermometer using afterglow phosphorescence from long duration phosphor"Electrochemical and Solid-State Letters. 5. H17-H19 (2002)
• [文献書誌] H.Aizawa, T.Katsumata, S.Komuro, et al.: "Long afterglow phosphorescent sensor materials for fiber-optic thermometer"Review of Scientific Instruments. 74. 1344-1349 (2002)