Search papers

Article details

  • Materiały Ceramiczne/Ceramic Materials
  • Vol: 60, Issue: 4, 2008
  • pp: 229-233

download: article (EN)

On the luminescence of Lu3-xPrxAl5O12 ceramic bodies

Abstract (EN)

Luminescent materials are widely applied as converter screens in fluorescent lamps, LEDs, emissive displays, x-ray and high energy particle detectors, and solid state LASERs. In most of the application areas, the luminescent compositions are applied as polycrystalline powders, however, some devices require single crystalline materials, e.g. solid state LASERs or positron emission tomographs.

Since single crystal growth is difficult and rather time consuming, applied crystals are very expensive. Moreover, some application areas require very homogenous and anisotropic optical and thermal properties, which sometimes cannot be sufficiently fulfilled by single crystals due to the inhomogeneous distribution of the cations and peculiarities of the phase diagram. Therefore, the replacement of single crystals by transparent ceramics is of growing interest. An important requirement for the realization of transparent ceramic bodies is the anisotropy of the index of refraction, which is given in cubic materials.

Minerals of the general composition A3B2Si3O12 (A = Mg, Ca, Fe, Mn; B = Al, Fe, Cr) and ternary oxides according to the formula Ln3Al5O12 (Ln = Y, Gd, Lu) crystallize in the cubic garnet structure. The latter compounds are ideal host lattices for the luminescent ions Ce3+, Pr3+, Nd3+, and Tb3+. Thus the respective luminescent materials have found numerous applications as LED and display phosphors, as gain media in LASERs, and as scintillators in x-ray machines for medical imaging.

This work deals with the preparation and spectroscopic characterization of Lu3Al5O12:Pr ceramic bodies, whereby their optical properties were compared to polycrystalline powders and single crystals. An important finding, in view of their application, is that the decay time of the [Xe]5d14f1 – [Xe]4f2 and [Xe]4f2 – [Xe]4f2 transitions of the Pr3+ ion in the ceramics is significantly different from the Pr3+ ion in Lu3Al5O12:Pr powders. With respect to the relation between the internal quantum efficiency of Pr3+ and the decay constant, possible explanations will be discussed.

Keywords (EN): Luminescent materials, optical properties, garnets, sol-gel processes

CERAMIKA Lu3-xPrxAl5O12 O WŁASNOŚCIACH LUMINESCENCYJNYCH

PLEWA J., KATELNIKOVAS A., JÜSTEL T.

Abstract (PL)

Materiały luminescencyjne – luminofory znajdują zastosowanie do konwersji promieniowania w lampach świetlówkach, diodach LED, w świecących ekranach, w czujnikach promieniowania wysokoenergetycznego, a także w stałych laserach. W większości zastosowań luminofory używa się w postaci proszków, chociaż w niektórych przypadkach potrzebne są monokryształy, jak to ma miejsce w technice laserowej, czy w tomografach.

Hodowla monokryształów luminoforów jest wyjątkowo trudna i kosztowna. Zwłaszcza że w niektórych przypadkach wymagana jest wysoka jednorodność i anisotropia optyczna, jak również termiczna dla materiału luminescencyjnego. Jest to głównie gwarantowane przez monokryształy, przy czym także wy tym przypadku mają miejsce niejednorodności w rozprowadzeniu kationów domieszki, a także występują braki w znajomości układów równowag. Z tego punktu widzenia występuje duże zainteresowanie, żeby zastąpić monokryształy polikrystaliczną ceramiką przeźroczystą. Wymaga się przy tym, żeby uzyskiwać materiał jednorodny optycznie, korzystnie o strukturze krystalograficznej regularnej.

Minerały o ogólnym składzie chemicznym A3B2Si3O12 (A=Mg, Ca, Fe, Mn, i B=Al, Fe, Cr) a także sztuczne związki typu Ln3Al5O12 (Ln=Y, Gd, Lu) krystalizują w układzie regularnym i należą do rodziny granatów. Te ostatnie związki uważa się za idealną sieć macierzystą dla aktywatorów typu: Ce3+, Pr3+, Nd3+ i Tb3+. Tym sposobem powstały wysoko cenione luminofory znajdujące szerokie zastosowania w diodach LED, w ekranach świecących, jako aktywne media laserowe, a także w scyntylatorach promieniowania X w tomografach.

Powyższa praca przedstawia wyniki syntezy i charakterystyki widmowe uzyskane dla ceramiki Lu3Al5O12:Pr. Dokonano porównania własności materiału proszkowego i ceramiki, a także danych literaturowych dotyczących monokryształu. Jako ważne z punktu widzenia zastosowań pokazano że czasy gaśnięcia dla przejść 5d14f2-4f2 ind 4f2-4f2 dla jonu Pr3+ w ceramice są różne niż dla proszku.

Keywords (PL): luminofory, właściwości optyczne, granaty, proces zol-żel

return…