NOI MATERIALE LASER SOLIDE PENTRU OBTINEREA DE EMISIE EFICIENTA IN DOMENIILE VIZIBIL SI INFRAROSU
Mentor
CS I, Dr. Vasile Serban Georgescu
PostDoctorand Cristina GHEORGHE
Programul: RESURSE UMANE
Tipul proiectului: Proiecte de cercetare postdoctorala
Cod proiect: PD_153
Sumar prezentare
Componentele de succes ale instrumentului de finantare
Prezentare Proiect PD
Ionul activ laser Sm3+
Materiale laser investigate
Sr1-xSmyLax-yMgxAl12-xO19 (Sm: ASL)– monocristal
Sm: Sc2O3, Y2O3 , Lu2O3 – ceramici
Corelare structura – proprietati – functionalitate
Diseminarea rezultatelor
Componente de succes ale instrumentului de finantare
“Proiecte de cercetare postdoctorala - tip PD”
Pachetul de informatii
al competitiei
Scopul
sub-programului
“Proiecte de
Cercetare
Postdoctorală”
Sprijinirea tinerilor cercetători, doctori în
ştiinţe, cu rezultate de excepţie, care
doresc să îşi dezvolte o carieră
profesională independentă de cercetare
în instituţii de cercetare din România, în
vederea stimulării excelenţei ştiinţifice
în cercetarea românească
creşterea numărului de cercetători cu normă întreagă finanţaţi prin proiecte de cercetare şi
angajaţi cu normă întreagă în entităţi de cercetare din România.
crearea pentru tinerii cercetători a unei şanse suplimentare de obţinere a unei poziţii
profesionale stabile în unităţi cu profil de cercetare din ţară;
asigurarea suportului financiar şi logistic necesar tinerilor doctori în ştiinţe, pentru efectuarea
în ţară de activităţi de cercetare;
promovarea cercetării fundamentale avansate, cu rezultate la standarde internationale;
implementarea principiului “finanţarea urmează performanţa” în cercetare;
creşterea vizibilităţii cercetării româneşti în plan internaţional, prin creşterea calităţii şi mai
buna valorificare a rezultatelor cercetării;
sprijinirea instituţiilor de cercetare în a oferi condiţii adecvate revenirii în ţară şi reintegrării
profesionale a cercetătorilor români performanţi cu potenţial dovedit de excelenţă ştiinţifică;
Obiective:
Titlu poiect: “Noi materiale laser solide pentru obtinerea de emisie eficienta in domeniile
vizibil si infrarosu”, cod proiect 153, contract nr. 160/2010
Institutia gazda: Institutul National de Cercetare Dezvoltare Pentru Fizica Laserilor,
Plasmei si Radiatiei INFLPR din Bucuresti
Sub-programului “Proiecte de Cercetare Postdoctorală”- competitia 2009
Principalele componente de succes ale instrumentului de finantare asupra
proiectului de cercetare: asigurarea suportului financiar si logistic necesar pentru efectuarea in tara a activitatilor de
cercetare ale proiectului;
obtinerea de rezultate stiintifice la standarde internationale, reflectate prin publicarea a 4
articole in reviste de specialitate internationale cu factor de impact ISI > 2 (Optical Materials,
Journal of Applied Physics, Journal of Alloys and Compounds);
deschiderea de oportunitatii de consolidare si perfectionare a pozitiei mele profesionale in
cadrul INFLPR. Pe parcursul derularii proiectului am avansat la functia de Cercetator Stiintific
gradul II (CS II);
creşterea capacităţii de cercetare prin oferta de subiecte moderne pentru activitati de doctorat
sau masterat, noi directii de specializare;
atragerea şi implicarea cercetătorilor din străinătate în proiecte cu impact asupra creşterii
vizibilităţii internaţionale a cercetării ştiinţifice româneşti. Incepand din ianuarie 2012 am fost
cooptata ca participant in cadrul proiectului BORATESYB, proiect de cooperare internationala
Romania-Franta.
sprijinirea institutiei de cercetare (INFLPR) in a oferi conditii adecvate pentru abordarea cu
succes a cercetarilor din domeniul proiectului;
Prezentare Proiect PD: NOI MATERIALE LASER SOLIDE PENTRU OBTINEREA DE
EMISIE EFICIENTA IN DOMENIILE VIZIBIL SI INFRAROSU
Principalele obiective ale proiectului au fost:
Dezvoltarea de noi materiale laser dopate cu ioni Sm3+
cu proprietati adecvate pentru obtinerea de emisie in vizibil (galben, portocaliu, rosu) si IR
Identificarea unor criterii de selectie a materialelor in scopul obtinerii de emisie laser la noi lungimi de unda, atat in domeniul vizibil cat si in IR
Obtinerea de emisie laser acordabila
Diseminarea rezultatelor
participarea la Conferinte nationale si Internationale
publicarea in reviste de specialitate cu factor mare de impact ISI
Sm3+ - Ion activ optic
Sm3+, configuratia 4f5 , seria lantanide
prezinta schema complexa de nivele de energie
Caracteristici:
emisie puternica in domeniul vizibil, corespunzator tranzitiilor 4G5/2 → 4H5/2, 7/2, 9/2
(galben, portocaliu, rosu)
σabs mari pentru pompaj in vizibil (405 nm) si IR (in domeniul ~ 940 nm) accesibile laserilor cu Argon si respectiv diodelor laser GaAs.
In general, cercetarile bazate pe ionul Sm3+ au vizat obtinerea de fosfori.
Tranzitii luminescente pentru ionul Sm3+
Materiale laser investigate
Structura si compozitie partial dezordonata:
Sr1-xSmyLax-yMgxAl12-xO19 (ASL: Sm3+) monocristale
(hexaaluminat de strontiu, lantan si magneziu)
Sm substitutie unei pozitii cationice in coordinatie cu 12 O2-
Densitate cationica mica
Distante cation-anion mari
Structura si compozitie ordonata:
Sm: Sc2O3, Y2O3 , Lu2O3 ceramici sesquioxidice
Sm substitutia a doua pozitii cationice in coordinatie cu 6O2-
Densitate cationica mare
Distante cation-anion mici
Sr1-xSmyLax-yMgxAl12-xO19
Sm: ASL
Structura hexagonala uniaxiala de tip MP (PbFe12O19), partial dezordonata
Z=2, ionii grei (Sm, Sr, La) se situeaza in plane oglinda separate prin doua grupuri de tip spinel.
Densitatea cationica mica 3.38 x 1019 cm-3
Sm3+ si La3+ → Sr2+
(NC = 12 O2- cu simetria locala D3h)
Mg2+ → Al3+
Stabilizarea fazei Compensator de sarcina pt Al3+
La3+ - determina calitatea cristalului
Date Structurale
Structura cubica cu volum centrat
Z=16, doua pozitii cationice cu simetrie locala C2, respectiv C3i
24 de pozitii cationice au simetrie C2 iar 8 pozitii au simetrie C3i
Densitatea cationica mare
Sc2O3 : 3.338 x 1022 cm-3
Lu2O3 : 2.813 x 1022 cm-3
Y2O3 : 2.687 x 1022 cm-3
Sm3+ → Sc3+, Y3+, Lu3+
(NC = 6O2-)
Structura ordonata
Sm: Sc2O3, Lu2O3 , Y2O3
Date Structurale
Ttop = 1850 0C
Metoda Czochralski, din creuzete de iridiu in atmosfera de azot
Procesele de crestere depind esential de parametrul compozitional x
Calitatea si proprietatile optice ale cristalelor sunt dependente de conditiile de crestere
[V. Delacarte, et al., OSA Proc. on Adv. Solid State
Lasers 24, 123(1995)]
Ttop 2420 0C
Producerea de monocristale de
acest tip prezinta dificultati legate
de Ttop foarte mare
1995 – o noua tehnica privind
obtinerea de materiale laser
ceramice de tip granati si sesquioxizi
Tsinterizare = 1500-1700 0C
proprietati mecanice, termice si
optice ale ceramicilor sunt similare
cu cele ale monocristalelor
[A. Ikesue, J. Amer. Ceram. Soc. 78, 225 (1995)]
Metode de obtinere
Sr1-xSmyLax-yMgxAl12-xO19 Sm: Sc2O3, Lu2O3 , Y2O3
Investigatii spectroscopice Sr1-xSmyLax-yMgxAl12-xO19
Proba de monocristal ASL: Sm (5 at%)
Spectre de emisie la 10K ale Sm: ASL, in IR 4G5/2 → 4H13/2 (825 nm) 4G5/2 → 4H15/2 (919 nm)
Spectre de emisie la 10K ale Sm: ASL, in vizibil : 4G5/2 → 4H5/2 (563 nm) 4G5/2 → 4H7/2 (594 nm) 4G5/2 → 4H9/2 (643 nm)
COMPARATIV: Spectrele de absorbtie la 10K pentru Sm: YAG si Sm:ASL
- Liniile de absorbtie ale Sm: ASL prezinta asimetrie si au centrul de greutate deplasat fata de liniile de absorbtie ale Sm: YAG care sunt bine structurate si inguste - Spectrele de emisie prezinta linii de emisie intense in domeniul vizibil si infrarosu
Spectre de Emisie,10K, lampa Xe, λex=405nm
Investigatii spectroscopice:
Sm: Sc2O3, Sm: Lu2O3, Sm: Y2O3
Spectre de Absorbtie,10K, 300K
rSm=0.958 Å rSc =0.75 Å rLu =0.861 Å rY =0.9 Å
Investigatii spectroscopice:
Sm: Sc2O3, Sm: Lu2O3, Sm: Y2O3
Spectre de Emisie,10K, 300K, lampa Xe, λex=405nm
rSm=0.958 Å rSc =0.75 Å rLu =0.861 Å rY =0.9 Å
300K Emisie Sm3+
Sc2O3
573 nm
612 nm
660 nm
Lu2O3
569 nm
607 nm
655 nm
Y2O3
570 nm
609 nm
657 nm
Atunci cand un ion RE este incorporat intr-o matrice, interactia statica dintre ionul dopant si vecinii sai influenteaza : structura nivelelor de energie a ionului liber
probabilitatile de tranzitii optice
Principalii factori care influenteaza structura energetica a ionului
RE in matrici cristaline sunt: efectul nefelauxetic (modificarea parametrilor de “ion liber” in
urma expansiunii norului electronic al ionului dopant )
interactia cu campul cristalin
Corelare
structura – proprietati - functionalitate
Efectul nefelauxetic: (modificarea parametrilor de “ion liber” in urma expansiunii norului electronic al ionului dopant) se datoreaza in special legaturilor covalente cu liganzii: Conduce la micsorarea interactiilor electron - electron precum si a cuplajului spin - orbita.
Aceste modificari determina deplasarea pozitiilor nivelelor electronice ale ionului liber.
Un rol foarte important il are materialul gazda care impune: tipul de
anion prezent in prima vecinatate si legatura covalenta care se stabileste intre cation si anion; “serie a efectului nefelauxetic” F– < O2– < H2O < Cl– < Br– < I– [J. Electrochem. Soc., 107, 803, (1960). SPIE, vol 5581, 287, (2004)];
numarul anionilor in prima sfera de coordinatie; distanta cation- anion in prima sfera de coordinatie; geometria primei sfere anionice;
Interactia cu campul cristalin este determinata de: In principal de prima sfera de coordinatie anionica (cea mai apropiata) sferele de coordinatie situate la distante mai mari, inclusiv sferele
cationice.
Interactia cu campul cristalin depinde de: natura ionului RE dopant compozitia si structura cristalului
Corelare structura - proprietati - functionalitate
1.1. tipul de anion din prima vecinatate si numarul de coordinatie
1. Efect nefelauxetic
Pozitiile centrilor de greutate a nivelelor E (2S+1LJ) = E(2S+1LJ) - E(6H5/2)
Sm3+
4G5/2
Centru de
greutate (cm-1)
λem (nm)
4G5/2→6H7/2
Sc2O3
CN = 6 O2- 17309 612
Lu2O3
CN = 6 O2- 17450 609
Y2O3
CN = 6 O2- 17479 607
YAG
CN = 8 O2- 17648 605
ASL (C2)
CN = 12 O2- 17865 594
Corelare structura – proprietati - functionalitate
1.2. Distante cation –anion.
Sm3+ Sc2O3 Lu2O3 Y2O3 ASL
NC = 6 NC = 6 NC = 6 NC = 12
4G5/2 (cm-1) 17309 17450 17479 17865
Dist. minima
cation -anion 2.09 - 2.17 Å 2.15 - 2.65 Å 2.24 - 2.75 Å 2.69-2.84 Å
1. Efect nefelauxetic
Efect nefelauxetic puternic Efect nefelauxetic slab
Pozitiile nivelelor Stark ale multipletilor 6H5/2 si 4G5/2 ale Sm3+
Efect nefelauxetic puternic, NC = 6 O2-
Camp cristalin puternic
Efect nefelauxetic slab, NC = 12 O2-
Camp cristalin moderat
Corelare structura – proprietati - functionalitate
2. Efecte de camp cristalin
Multipleti (cm-1)
Sc2O3 ΔEmax Lu2O3 ΔEmax Y2O3 ΔEmax ASL ΔEmax
6H5/2
fundamental
0
532
0
473
0
456
0
165 212 203 200 60
532 473 456 165
4G5/2
metastabil
17452
396
17533
282
17557
282
17788
320 17627 17681 17698 17924
17848 17815 17837 18108
Corelare structura – proprietati - functionalitate
3. Efecte de structura in transferul de energie
2.687 x 1022 cm-3
mas = 2.406 msec
3.38 x 1019 cm-3
Materiale foarte eficiente pentru transferul de energie
C2 : τmas = 1.28 ms C2 : τmas = 1.48 ms
3.338 x 1022 cm-3
0.01%Sm 0.01%Sm 0.05%Sm
Cinetica nivelului metasabil 4G5/2 la diferite concentratii de Sm
Materiale laser pentru
λ de emisie laser scurte
coordinatie
anionica mare;
distanta
cation-anion mare. camp cristalin moderat.
Sr1-xSmyLax-yMgxAl11-xO19 (Sm: ASL)
Materiale laser pentru
λ de emisie laser lungi
Sm: Sc2O3, Lu2O3, Y2O3
efect nefelauxetic slab; coordinatie
anionica mica;
distanta
cation-anion mica
efect nefelauxetic puternic;
camp cristalin puternic.
Conditii necesare pentru obtinerea de noi materiale laser in scopul
extinderii domeniului de emisie in VIS a ionului Sm3+
Pozitie inalta a nivelului emitator Eem 4G5/2
Pozitie moderata a nivelului terminal 6HJ
Pozitie joasa a nivelului emitator Eem 4G5/2
Pozitie inalta a nivelului terminal 6HJ
Diseminarea rezultatelor obtinute in cadrul Proiectului PD_153
1. Participari la Conferinte Internationale
4 Comunicari Stiintifice: 1. IBWAP – 2011, International Balkan Workshop on Applied Physics, 06-08 Julie 2011, Constanta, Romania 2. TIM 2011, 24 - 27 November 2011, Timisoara, Romania 3. TIM 2011, 24 - 27 November 2011, Timisoara, Romania 4. International Student Conference on Photonics 2012, SPIE Student Chapter, 8-11 May 2012, Sinaia, Romania
2. Lucrari stiintifice publicate in reviste cotate ISI
7. C. Gheorghe, A. Lupei, F. Voicu, M. Enculescu, “Sm3+- doped Sc2O3 polycrystalline
ceramics: spectroscopic investigation,” J. Alloys & Comp., 535, 78 (2012).
6. C. Gheorghe, A. Lupei, V. Lupei, and L. Gheorghe, “A comparative study of Nd3+ and Sm3+
ions doped into oxide host materials; correlation between structure and spectral
properties,” OAM - RC 6 , 44 (2012).
5. C. Gheorghe, L. Gheorghe, P. Loiseau, and G. Aka, “Spectroscopic features and laser
performance at 1.06 µm of Nd3+ doped Gd1−xLuxCa4O(BO3)3 single crystal”, J. Appl. Phys.,
111, 013102 (2012).
4. A. Lupei, V. Lupei, C. Gheorghe, A. Ikesue, and M. Enculescu, “Spectroscopic
characteristics of Dy3+ doped Y3Al5O12 transparent ceramics,” J. Appl. Phys. 110, 083120
(2011).
3. A. Lupei, V. Lupei, C. Gheorghe, and A. Ikesue, “Spectroscopic investigation of Sm3+ in
YAG ceramic,” Rom. Rep. Phys. 63, 817 (2011).
2. C. Gheorghe, A. Lupei, L. Gheorghe, and A. Achim, “Growth and spectroscopic preliminary
investigations of Sm3+ doped strontium hexa-aluminates single crystals,” OAM - RC 5 (2),
116 (2011).
1. C. Gheorghe, A. Lupei, V. Lupei, A. Ikesue, M. Enculescu, “Intensity parameters of Tm3+
doped Sc2O3 transparent ceramic laser material,” Opt. Mat. 33, 501 (2011).
Va multumesc pentru atentie !
Diseminarea rezultatelor obtinute in cadrul Proiectului PD_153
