Synthesis and Spectral Properties of La1 – xBWO6:Erx and La1 – x – yBWO6:Ybx,Ery Upconversion Phosphors

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Using LaBWO6 as a host, we have prepared a series of erbium-doped lanthanum borotungstates (LBTs), La1 – xErxBWO6, and Yb/Er-codoped La1 – x – yYbxEryBWO6, which crystallize in monoclinic crystal system (sp. gr. P21). The materials have been synthesized by ceramic route and a sol–gel (Pechini) process, followed by annealing. We have studied the spectral properties of the synthesized LBTs exhibiting the luminescence in the green spectral region upon the excitation in the near-infrared region. The highest efficiency, with Ben = 0.55%, has been obtained for La0.97Yb0.02Er0.01BWO6 composition. Sol–gel synthesis (Pechini process) has been shown to be the optimal approach for the preparation of such phosphors. Due to a combination of high upconversion efficiency and thermal stability, the synthesized upconversion phosphors can be used for the design of white light sources pumped in the near-IR spectral region.

About the authors

V. A. Krut’ko

Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry, Russian Academy of Sciences

Email: kroutko@igic.ras.ru
119991, Moscow, Russia

M. G. Komova

Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry, Russian Academy of Sciences

Email: kroutko@igic.ras.ru
119991, Moscow, Russia

D. V. Pominova

Prokhorov General Physics Institute, Russian Academy of Sciences

Email: kroutko@igic.ras.ru
119991, Moscow, Russia

A. V. Popov

Prokhorov General Physics Institute, Russian Academy of Sciences

Email: kroutko@igic.ras.ru
119991, Moscow, Russia

A. B. Yaroslavtsev

Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry, Russian Academy of Sciences

Email: kroutko@igic.ras.ru
119991, Moscow, Russia

G. E. Nikiforova

Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: smirnova_macha1989@mail.ru
Russian Federation, 119991, Moscow

A. V. Gavrikov

Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: kroutko@igic.ras.ru
119991, Moscow, Russia

References

  1. Стефанович С.Ю., Венсковский Н.У., Мосунов А.В., Крутько В.А. Оптическая нелинейность и диэлектрические свойства нецентросиммеричных кристаллов семейства боратовольфраматов РЗЭ Ln3BWO9 // Журн. неорган. химии. 2001. Т. 46. № 12. С. 2040–2045.
  2. Maczka M., Tomaszewski P., Stepien-Damm J., Majchrowski A., Macalik L., Hanuza J. Crystal Structure and Vibration Properties of Nonlinear Eu3BWO9 and Nd3BWO9 // J. Solid State Chem. 2004. V. 177. P. 3595–3602. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2004.06.016
  3. Крутько В.А., Попов А.В., Воронько Ю.К., Чудинова Н.Н. Люминесцентные свойства гексагональных Ln3BWO9 (Ln–Gd, Y), активированных ионами Yb3+ // Неорган. материалы. 2010. Т. 46. № 8. С. 1001–1006. https://doi.org/10.1134/S0020168510080182
  4. Zhu R., Huang Y., Seo H.J. A-Red-Emitting Phosphor of Eu-Based Borotungstate Eu3BWO9 for White Light-Emitting Diodes // J. Electrochem. Soc. 2010. V. 157. P. H1116–H1120. https://doi.org/10.1149/1.3501964
  5. Lu-Ling Li, Xiao-Yu Yue, Wen-Jing Zhang et al. Magnetism and Giant Magnetocaloric Effect in Rare-Earth-Based Compounds R3BWO9 (R = Gd, Dy, Ho) // Chin. Phys. B. 2021. V. 30. № 7. P. 077501–077505. https://doi.org/10.1088/1674-1056/abf916
  6. Yanlin Huang, Hyo Jin Seo. A Novel Red-Emitting Nano-Phosphor of Eu3+–Doped LaBWO6 // Mater. Lett. 2012. V. 84. P. 107–109. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2012.06.051
  7. Sun C.X., Lin Z.B., Zhang L.Z., Huang Y.S., Wang Chin G.F. Phase Diagram, Growth and Optical Property of the LaBWO6 Crystal // J. Struct. Chem. 2013. V. 32. P. 1088–1092. https://www.researchgate.net/publication/283843691
  8. Daoyun Zhu, Zhongfei Mu. Synthesis of Sm3+ and Dy3+ Doped LaBWO6 for Evaluation as Potential Materials in Luminescent Display Applications // Displays. 2014. V. 35. P. 261–265. https://doi.org/10.1016/j.displa.2014.09.005
  9. Xiong F.B., Lin H.F., Ma Z., Wang Y.P., Lin H.Y., Meng X.G., Shen H.X., Zhu W.Z. Luminescence Properties of a Novel Red-Emitting Phosphor LaBMO6: Pr3+ (M = W, Mo) // Opt. Mater. 2017. V. 66. P. 474–479. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2017.03.002
  10. Bin Li, Xiaoyong Huang, Heng Guo, Yujia Zeng. Energy Transfer and Tunable Photoluminescence of LaBWO6:Tb3+, Eu3+ Phosphors for Near-UV White LEDs // Dyes Pigments. 2018. V. 150. P. 67–72. https://doi.org/10.1016/j.dyepig.2017.11.003
  11. Kaminskii A.A. Monoclinic LaBWO6: A New SRS-Active Crystal // Quant. Electron. 2019. V. 49. P. 377–379. https://doi.org/10.1070/QEL16980
  12. Джуринский Б.Ф., Резник Е.М., Тананаев И.В. Синтез и физико-химические свойства боратовольфраматов редкоземельных элементов // Журн. неорган. химии. 1980. Т. 25. № 11. С. 2981–2987.
  13. Палкина К.К., Сайфуддинов В.З., Кузнецов В.Г., Джуринский Б.Ф., Лысанова Г.В., Резник Е.М. Структура и синтез кристаллов соединений La2O3·B2O3·2MoO3 и La2O3·B2O3·2WO3 // Журн. неорган. химии. 1979. Т. 24. № 5. С. 1193–1198.
  14. Aleksandrov L., Komatsu T., Iordanova R., Dimitriev Y. Raman Spectroscopic Study of Structure of WO3-La2O3-B2O3 Glasses with no Color and Crystallization of LaBWO6 // Opt. Mater. 2011. V. 34. P. 201–206. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2011.08.002
  15. Gancheva M., Aleksandrov L., Iordanova R., Dimitriev Y. Synthesis of Amorphous and Crystalline LaBWO6 Using Mechanochemical Activation // J. Chem. Technol. Metall. 2015. V. 50. № 4. P. 467–473.
  16. Джуринский Б.Ф., Лысанова Г.В. Соединения редкоземельных элементов со смешанными оксоанионами: синтез, строение, границы существования в ряду La–Lu // Журн. неорган. химии. 1998. Т. 43. № 12. С. 2065–2074.
  17. Mu-Huai Fang, Zhen Bao, Wen-Tse Huang, Ru-Shi Liu. Evolutionary Generation of Phosphor Materials and Their Progress in Future Applications for Light-Emitting Diodes // Chem. Rev. 2022. V. 122. № 13. P. 11474–11513. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.1c00952
  18. Lei Zhao, Dandan Meng, Yanyan Li, Yun Zhang, Haiqing Wang. Tunable Emitting Phosphors K3Gd(PO4)2: Tm3+-Dy3+ for Light-Emitting Diodes and Field Emission Displays // J. Alloys Compd. 2017. V. 728. P. 564–570. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.09.025
  19. Jin X.Y., Xie Y., Tang R., Geng X., Che J.Z., Lou L.Y., Chen W.S., Deng B., Yu R.J. Novel Double Perovskite Sr3WO6: Sm3+, Na+ Orange-Red Emitting Phosphors with High Thermal Stability for White LEDs // J. Alloys Compd. 2022. V. 899. P. 162739. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.162739
  20. Dai J., Zhao D., Zhang R.J., Jia L., Yao Q.X. Enhancing Luminescence Intensity and Improving Thermostability of Red Phosphors Li3Ba2La3(WO4)8: Eu3+ by Co-doping with Sm3+ Ions // J. Alloys Compd. 2022. V. 891. P.161973. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.161973
  21. Yadav R.S., Monika, Rai S.B., Dhoble S.J. Recent Advances on Morphological Changes in Chemically Engineered Rare Earth Doped Phosphor Materials // Prog. Solid State Chem. 2020. V. 57. P. 100267. https://doi.org/10.1016/j.progsolidstchem.2019.100267
  22. Moine B., Bizarri G. Degradation Mechanism of Phosphors by Vacuum Ultraviolet Excitation // Opt. Mater. 2006. V. 28. № 6–7. P. 587–591. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2005.09.067
  23. Zhang Z.H., Wang Y.H., Li X.X., Du Y.K., Liu W.J. Photoluminescence Degradation and Color Shift Studies of Annealed BaMgAl10O17:Eu2+ Phosphor // J. Lumin. 2007. V. 122–123. P. 1003–1005. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2006.01.351
  24. Yang J., Zhang C., Peng C., Li C., Wang L., Chai R., Lin J. Controllable Red, Green, Blue (RGB) and Bright White Upconversion Luminescence of Lu2O3:Yb3+ /Er3+/Tm3+ Nanocrystals through Single Laser Excitation at 980 nm // Chemistry. 2009. V. 15. № 18. P. 4649–4655. https://doi.org/10.1002/chem.200802106
  25. Mahalingam V., Naccache R., Ventrone F., Capobianco J.A. Enhancing Upconverted White Light in Tm3+/Yb3+/Ho3+–Doped GdVO4 Nanocrystals via Incorporation of Li+ Ions // Opt. Express. 2012. V. 20. № 1. P. 111–119. https://doi.org/10.1364/OE.20.000111
  26. Banski M., Podhorodecki A., Misiewicz J., Afzaal M., Abdelhady L.A., O’Brien P. Selective Excitation of Eu3+ in the Core of Small β-NaGdF4 Nanocrystals // J. Mater. Chem. C. 2013. V. 1. P. 801–807. https://doi.org/10.1039/C2TC00132B
  27. Gao C., Zheng P., Liu Q. et al. Recent Advances of Upconversion Nanomaterials in the Biological Field // Nanomaterials. 2021. V. 11. P. 2474. https://doi.org/10.3390/nano11102474
  28. Wang G., Jia G., Wang J., Kong H., Lu Y., Zhang C. Novel Rare Earth Activator Ions-Doped Perovskite-Type La4Ti3O12 Phosphors: Facile Synthesis, Structure, Multicolor Emissions, and Potential Applications // J. Alloys Compd. 2021. V. 877. P. 160217. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.160217
  29. Roy A., Dwivedi A., Mishra H., Rai A.K., Rai S.B. Generation of Color Tunable Emissions from Ho3+/Tm3+/Yb3+ Co-doped YTaO4 Phosphors through NIR Excitation Under Different Conditions (Variation of Concentration, Excitation Pump Power and the External Temperature) // J. Alloys Compd. 2021. V. 865. P. 158938. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.158938
  30. Lim C.S., Aleksandrovsky A.S., Molokeev M.S., Oreshonkov A., Atuchin V. Structural and Spectroscopic Effects of Li+ Substitution for Na+ in LixNa1–x-CaGd0.5Ho0.05Yb0.45(MoO4)3 Scheelite-Type Upconversion Phosphors // Molecules. 2021. V. 26. № 23. P. 7357. https://doi.org/ https://www.researchgate.net/publication/280610057https://doi.org/10.3390/molecules26237357
  31. Крутько В.А., Комова М.Г., Поминова Д.В. Синтез и люминесцентные свойства наноразмерных боратовольфраматов Gd3–x – yYbxEryBWO9 // Неорган. материалы. 2018. Т. 54. № 11. С. 1210–1216. https://doi.org/10.1134/S0002337X1811009X
  32. Orlovskii Yu.V., Popov A.V., Platonov V.V., Fedorenko S.G., Sildos I., Osipov V.V. Fluctuation Kinetics of Fluorescence Hopping Quenching in the Nd3+:Y2O3 Spherical Nanoparticles // J. Lumin. 2013. V. 139 P. 91–97. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2013.02.029
  33. Fedorenko S.G., Popov A.V., Vagapova E.A., Baranchikov A.E., Orlovskii Yu.V. Concentration Self-Quenching of Luminescence in Crystal Matrices Activated by Nd3+ Ions: Theory and Experiment // J. Lumin. 2018. V. 198. P. 138–145. https://doi.org/10.1016/J.JLUMIN.2018.02.032
  34. Dıaz-Torres L.A., Barbosa-Garcıa O., Pinto-Robledo V., David Sumida D., Hernandez J.M. Evidence of Energy Transfer among Nd Ions in Nd:YAG Driven by a Mixture of Exchange and Multipolar Interactions // Opt. Mater. 1998. V. 10. P. 319–326.
  35. Popov A.V., Fedorenko S.G., Krut’ko V.A., Iskhakova L.D., Komova M.G., Timofeeva E.E., Kononkova N.N., Orlovskii Yu.V. Impurity Fluorescence Self-Quenching in Nd3+: Gd3BWO9 Krystalline Powders: Experiment and Analysis // J. Alloys Compd. 2020. V. 822. P. 153654. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.153654
  36. Reddy B.R., Venkateswarlu P. Energy up-conversion in LaF3: Nd3+ // J. Chem. Phys. 1983. V. 79. P. 5845–5850.https://doi.org/10.1063/1.445754
  37. Ikonnikov D.A., Voronov V.N., Molokeev M.S., Aleksandrovsky A.S. Upconversion Luminescence of CsScF4 Crystals Doped with Erbium and Ytterbium // Opt. Mater. 2016. V. 60. P. 584–589. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2016.09.016
  38. Aleksandrovsky A.S., Gudim I.A., Krylov A.S., Malakhovskii A.V., Temerov V.L. Upconversion Luminescence of YAl3(BO3)4:(Yb3+, Tm3+) Crystals // J. Alloys Compd. 2010. V. 496. P. L18–L21. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2010.02.089
  39. Ryabova A.V., Pominova D.V., Krut’ko V.A., Komova M.G., Loschenov V.B. Spectroscopic Research of Upconversion Nanomaterials Based on Complex Oxide Compounds Doped with Rare-Earth Ion Pairs: Benefit for Cancer Diagnostics by Upconversion Fluorescence and Radio Sensitive Methods // Photon Lasers Med. 2013. V. 2. № 2. P. 117–128. https://doi.org/10.1515/plm-2013-0013
  40. Auzel F. Upconversion and Anti-Stokes Processes with f and d Ions in Solids // Chem. Rev. 2004. V. 104. № 1. P. 139–173.
  41. Kaiser M., Würth C., Kraft M., Soukka T., Resch-Genger U. Explaining the Influence of Dopant Concentration and Excitation Power Density on the Luminescence and Brightness of β-NaYF4: Yb3+, Er3+ Nanoparticles: Measurements and Simulations // Nano Res. 2019. V. 12. № 8. P. 1871–1879. https://doi.org/10.1007/s12274-019-2450-4
  42. Liu J., Deng H., Huang Z., Zhang Y., Chen D., Shao Y. Phonon-Assisted Energy Back Transfer-Induced Multicolor Upconversion Emission of Gd2O3:Yb3+/Er3+ Nanoparticles under Near-Infrared Excitation // Phys. Chem. Chem. Phys. 2015. V. 17. P. 15412–15418.
  43. Punjabi A., Wu X., Tokatli-Apollon A., El-Rifai M., Lee H., Zhang Y., Wang C., Liu Z., Chan E.M., Duan C. Amplifying the Red-Emission of Upconverting Nanoparticles for Biocompatible Clinically Used Prodrug-Induced Photodynamic Therapy // ACS Nano. 2014. V. 8. P. 10621–10630.
  44. Ермолаев В.Л., Свешникова Е.Б., Бодунов Е.Н. Индуктивно-резонансный механизм безызлучательных переходов в ионах и молекулах в конденсированной фазе // УФН. 1996. Т. 166. № 3. С. 279–302.
  45. Becker P., van der Wolf B., Bohat’y L., Dong J., Kaminskii A.A. Monoclinic LaBO2MoO4:Nd3+ – a New SE- and (χ(2) +χ(3))-Active Crystal for Multifunctional Lasers // Laser Phys. Lett. 2008. V. 5. № 10. P. 737–745. https://doi.org/10.1002/lapl.200810056

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (190KB)
Indexing metadata
3.

Download (135KB)
Indexing metadata
4.

Download (1MB)
Indexing metadata
5.

Download (84KB)
Indexing metadata
6.

Download (249KB)
Indexing metadata
7.

Download (173KB)
Indexing metadata
8.

Download (56KB)
Indexing metadata
9.

Download (76KB)
Indexing metadata
10.

Download (39KB)
Indexing metadata
11.

Download (132KB)
Indexing metadata
12.

Download (90KB)
Indexing metadata
13.

Download (256KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 В.А. Крутько, М.Г. Комова, Д.В. Поминова, А.В. Попов, А.Б. Ярославцев, Г.Е. Никифорова, А.В. Гавриков

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».