Growth of the (Ga69.5La29.5Er)2S300 Single Crystal and Mechanism of Stokes Emission

Abstract

The investigation of the properties of novel multicomponent chalcogenide single crystals is one of the principal directions of modern semiconductor optoelectronics. Particular attention is paid to the study of the photoluminescence properties of rare earth-doped chalcogenide semiconductors in the visible and near infrared range. This is due to the use of these materials in telecommunication devices, laser and sensor technology. We describe here the growth technique of the single crystal (Ga69.5La29.5Er)2S300 composition by solution-melt method. X-ray diffraction methods confirm its crystallization in the space group Pna21. Optical absorption spectrum of the single crystal in the visible and near infrared range was studied . Using the functional dependence of 2 on h for direct transitions, the bandgap energy of the semiconductor was determined as 1.99 ± 0.01 eV. The increase in the dopant concentration from 0.2 to 0.4 at. % Er does not significantly change the band structure of the single crystal, therefore the bandgap energy is unchanged as well. Narrow absorption bands were recorded that are related to the transitions 4I15/2 → 4I11/2, 4I15/2 → 4I9/2, 4I15/2 → 4F9/2 in the f-shell of erbium ions. High concentration of energy levels in the band gap associated with the structure defects of the crystal results in the high value of the optical absorption coefficient. Photoluminescence excitation was achieved by a 532 nm (2.33 eV) laser at 150 mW. Intense Stokes photoluminescence bands were recorded at 1.53 and 0.805 eV, as well as lower-intensity maxima at 1.45, 1.27, 1.88 eV. These emission bands correspond to the transitions 4I9/2→4I15/2, 4I13/2→4I15/2, 4S3/2→4I13/2, 4I11/2→4I15/2, 4F9/2→4I15/2 in Er3+ ions, respectively. An energy transition diagram for the f-shell of Er3+ ions in the (Ga69.5La29.5Er)2S300 single crystal was plotted. The emission mechanism and the important role of the cross-relaxation processes between the ground and excited states of Er3+ ions were established. As a result of the influence of the local crystalline field on erbium ions, the Stark splitting of the 4I13/2, 4I15/2 levels and the widening of the photoluminescence band with the maximum at 0.805 eV is observed. Intense infrared bands of the photoluminescence (1.53 and 0.805 eV) create prerequisites for using the (Ga69.5La29.5Er)2S300 single crystal in sensor technology and optoelectronic devices.

Дослідження властивостей нових багатокомпонентних халькогенідних монокристалів є одним із основних напрямків сучасної напівпровідникової оптоелектроніки. Особлива увага приділяється вивченню фотолюмінесцентних властивостей халкогенідних напівпровідників у видимому та близькому інфрачервоному діапазонах, які леговані рідкісноземельними металами. Це пов’язано із використанням цих матеріалів в телекомунікаційних пристроях, лазерній та сенсорній техніці. В роботі описано методику вирощування монокристалу складу (Ga69.5La29.5Er)2S300 розчин-розплавним методом. Методом рентгенофазового аналізу підтверджена його кристалізація у просторовій групі Pna21. Досліджено спектр оптичного поглинання монокристалу у видимому та близькому інфра-червоному діапазоні. На основі функціональної залежності 2 від h для прямих переходів визначено ширину забороненої зони напівпровідника, яка становить 1,99 ± 0.01 еВ. Збільшення концентрації легуючої домішки (з 0,2 до 0,4 ат. % Er) не вносить значних змін в зонну структуру монокристалу, тому не змінює ширину забороненої зони напівпровідника. Зафіксовано вузькі смуги поглинання, які пов’язані з переходами (4I15/2 → 4I11/2, 4I15/2 → 4I9/2, 4I15/2 → 4F9/2) в f-оболонці іонів ербію. Велика концентрація енергетичних рівнів в забороненій зоні, що пов’язані із структурними дефектами кристалу, обумовлюють високе значення коефіцієнта оптичного поглинання. Збудження фотолюмінесценції здійснено лазером із довжиною хвилі 532 нм (2.33 еВ) потужністю 150 мВт. Зафіксовано інтенсивні смуги стоксівської фотолюмінесценції: 1.53, 0.805 еВ, а також максимуми меншої інтенсивності: 1,45, 1,27, 1,88 еВ. Ці смуги випромінювання відповідають переходам 4I9/2→4I15/2, 4I13/2→4I15/2, 4S3/2→4I13/2, 4I11/2→4I15/2, 4F9/2→4I15/2 в Er3+ іонах відповідно. Побудовано діаграму енергетичних переходів в f-оболонці іонів Er3+ для монокристалу (Ga69,5La29,5Er)2S300. Встановлено механізм випромінювання та важливу роль процесів кросрелаксації між основним та збудженими станами іонів Er3+. Внаслідок впливу локального кристалічного поля на іони ербію відбувається штарківське розщепленням рівнів 4I13/2, 4I15/2 і розширення смуги фотолюмінесценції із максимумом 0,805 еВ. Інтенсивні інфрачервоні смуги випромінювання (1,53 та 0,805 еВ) створюють передумови для використання монокристалу (Ga69.5La29.5Er)2S300 в сенсорній техніці та оптоелектронних приладах.