characterization of al2o3:eu3+ luminescent coatings prepared by spray pyrolysis technique

6
phys. stat. sol. b) 220, 677 2000) Subject classification: 78.55.Hx; S10.1 Characterization of Al 2 O 3 : Eu 3+ Luminescent Coatings Prepared by Spray Pyrolysis Technique E. Marti Ânez a), M. Garci Âa a), F. Ramos-Brito a), O. Alvarez-Fregoso 1 ) a), S. Lo Âpez a), S. Granados a), J. Chavez- Rami Ârez a), R. Marti Ânez M. a), and C. Falcony b) a) Instituto de Investigaciones en Materiales, UNAM, A.P. 07300, Coyoaca Ân 04510, Me Âxico D.F., Me Âxico b) Departamento de Fõ Âsica, Cinvestav ± IPN, A.P. 07300, Me Âxico D.F., Me Âxico Received November 1, 1999) Europium doped Al 2 O 3 photoluminescent coatings have been prepared by an ultrasonic spray py- rolysis process, using a solution of 0.05M of AlCl 3 6H 2 O as starting material and EuCl 3 as doping. These films were deposited on Pyrex glass substrates at atmospheric pressure using purified air as a carrier gas. All films were amorphous in structure. The photoluminescence spectra were mea- sured at room temperature as a function of substrate temperature and doping concentration. For an excitation wavelength of 395 nm, all the photoluminescent spectra show bands located at 587, 600, 612 and 648 nm, characteristics of the trivalent europium ion. We observed a concentration quenching of the photoluminescence at values of activator concentration above 10 at% in the start- ing solution. Introduction Spray pyrolysis is a very low cost process for preparing thin films from a wide variety of materials. Hill and Chamberlain developed this process in the early 1960s, for preparing thin polycrystalline films of binary photoconductors such as CdS, CdSe and their solid solutions [1]. The spray pyrolysis process involves the spraying of solutions, usually aqueous, containing soluble salts of the desired compounds onto a heated substrate. The equipment is simple and inexpensive to construct and operate and does not require an expensive vacuum apparatus or exotic gas [2]. More recently, a worldwide increasing interest exists in the development of thin film electroluminescent devices and large-area flat-panel display applications, which require thin films with good luminescent properties and inexpensive techniques suitable for deposition over large areas. Spray pyrolysis is a technique especially suited for these types of requirements [3, 4]. The present work reports the photoluminescent characteristics of Eu doped alumi- num oxide films deposited by ultrasonic spray pyrolysis technique Pyrosol [5]) and the role that the deposition parameters play in these characteristics. No post-deposition an- nealing was given to these films and all characteristics studied were in as-grown samples. Experimental Procedures Ultrasonic spray pyrolysis technique was used to prepare europium doped aluminum oxide films. The experimental arrangement for this techni- que has been presented elsewhere [6]. In this process a solution containing the materi- als to be deposited is sprayed through a spraying nozzle over a hot Pyrex glass sub- E. Marti Ânez et al.: Characterization of Al 2 O 3 : Eu 3+ Luminescent Coatings 677 1 ) e-mail: [email protected]; Tel.: 5) 5622 4649 44 physica b) 220/1

Upload: e-martinez

Post on 06-Jun-2016

214 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Characterization of Al2O3:Eu3+ Luminescent Coatings Prepared by Spray Pyrolysis Technique

����� ����� ��� �� ��� ��� �����

������� �������������� ��������� � ��

������������ �� ����� � ���� ��� �� � ���� �������� �� ���� �������� !�� "�

�� ������� �� �� ��� ��� �� �� ����������� �� �� ������������� � �� �� ����� �� �� ������� �� �� � ���� ������� �� �� ������� �� �� ��! �� ��� �! ��

��� ������� �� �� ����������� �� ����������� ����� ���� ������ ������� �� !�����"�� #�$�� ���"��

�%� #�&����'��� �� $(������ ��� ���� " ���� ���� ������ ���"�� #�$�� ���"��

#����$�! %�$�&��' (((�

)�'����& !���! *�+, ������&�������� ������-� ��$� ���� �'���'�! �� �� ��'������ ��'�� ��.'����� �'����� ����- � ������� �� ����/ �� *0, � ���+ �� ���'���- &���'�� ��! )�0, �� !����-�1���� ��&� 2�'� !�������! �� 3�'�� -��� �����'���� �� ��&�����'�� �'����'� ����- ��'����! ��' ��� ��''��' -��� * ��&� 2�'� �&�'����� �� ��'����'�� 1�� ������&��������� �����'� 2�'� &��.��'�! �� '��& ��&��'���'� �� � �������� �� �����'��� ��&��'���'� ��! !����- �������'������ 4�'�� ���������� 2�$���-�� �� ,(� �& � ��� ������&�������� �����'� ���2 ���!� �����! �� ��� ��� � � ��! �5� �& ���'����'������ �� ��� �'�$���� ��'����& ���� 6� ����'$�! � �������'�����7�������- �� ��� ������&��������� �� $���� �� ����$���' �������'����� ���$� � ��8 �� ��� ���'�.��- ��������

# �������� ��'�� ��'����� �� � $�'� �2 ���� �'����� ��' �'���'��- ���� ��&� �'�& �2�!� $�'���� �� &���'���� �� ��! 0��&��'��� !�$����! ���� �'����� �� ��� ��'� (��� ��' �'���'��- ���� ����'������� ��&� �� ����'� ��������!����'� ���� �� 0!� 0!�� ��! ����' ���! �������� 9 :� 1�� ��'�� ��'����� �'����� ��$�$�� ��� ��'����- ���������� ����� �7����� ���������- ����� ���� �� ��� !���'�! ��&����!� ���� ������! �����'���� 1�� �7���&��� �� ��&�� ��! ���������$� �� �����'��� ��! ���'��� ��!!��� ��� '�7��'� �� �������$� $����& ����'���� �' ������ -�� 9�:� /�'� '������ �2�'!2�!� ���'�����- ����'��� ������ �� ��� !�$���&��� �� ���� ��& ����'��&��������!�$���� ��! �'-�.�'�� ���.���� !����� ����������� 2���� '�7��'� ���� ��&� 2��� -��!�&�������� �'���'���� ��! ���������$� ������7��� ������� ��' !��������� �$�' �'-��'���� ��'�� ��'����� �� � ������7�� �������� �����! ��' ����� ����� �� '�7��'�&����9, 5:� 1�� �'����� 2�'; '���'�� ��� ������&�������� ���'����'������ �� )� !���! ��&�.��& ���!� ��&� !�������! �� ��'������ ��'�� ��'����� ������7�� 3�'��� 9�:� ��! ���'�� ���� ��� !��������� ��'�&���'� ��� �� ����� ���'����'������� %� ����.!��������� ��.�����- 2�� -�$�� �� ����� ��&� ��! � ���'����'������ ���!��! 2�'� �� ��.-'�2� ��&����

�$��� ��� �������� <�'������ ��'�� ��'����� ������7�� 2�� ���! �� �'���'���'����& !���! ��&���& ���!� ��&�� 1�� ����'�&���� �''��-�&��� ��' ���� ������.7�� ��� ���� �'������! ���2��'� 9�:� =� ���� �'����� � ������� ���������- ��� &���'�.�� �� �� !�������! �� ��'���! ��'��-� � ��'����- ��>>� �$�' � ��� 3�'�� -��� ���.

�� ������� �� ��� 0��'����'�>����� �� *�+,� )�,? @�&�������� 0�����-� ���

� �.&��� ���A��'$�!�'����&�&�� 1��� �� ���� 5�5(

55 ������� �� ���B

Page 2: Characterization of Al2O3:Eu3+ Luminescent Coatings Prepared by Spray Pyrolysis Technique

��'���� 1�� ��$���� �� ��� ������� �'� $���'�>�! 2��� ��� &��� �� ��� ������� -��� ������� 2��� ��� ��� �����'��� ��$��- � ���! ������- ���� ���1�� ��'����- ������� 2�� ����/ ������� �� *0, � ���+ �� !�����>�! 2���'

� /��� C����- 2��� )� 2�� �����$�! �� �!!��- )�0, �� ��� ��'����- ������� �� ���'��-� �� � �� 5�8 �� '������ �� ��� * ������� �� ���� �������� 1�� -�� ��2 ��������!�� ��'����! ��' �� � B&�� ��! ��� ������� ��2 2�� �������� �� &B&��� 1�� 3�'��-��� �����'��� ��&��'���'� 2�� $�'��! �'�& ,�� �� �5� �0 �� ,� D ������ 1�� !�����.���� ��&� 2�� � &�� ��! �������� ��' � ��&���� 1�� ����;���� �� ��� ��&� 2�� ����� ��� � �& �� &����'�! �� � ���� C�;��; ==* 3'����&���'� 1�� �'������� ��'����'� ����� ��&��� 2�� ����>�! �� E.'�� !���'����&��'� E#C� ����- 0�D� ���&��� C����!���'����&���' ���'���! �� ,� ;�F�1�� �&������ �����'� 2�'� �������! 2��� � 3�';�� )&�' @���G ���'������� �����'�.

�����&���'� * ������&��������� �����'� 2�'� �������! �� '��& ��&��'���'� ��!,(� �& �-�� 2�� ����! �� �� ������� �� ���������� ���'�� ��' ��� ������&���������&����'�&����� 1�� ���&��� ��&�������� �� ��� ��&� 2�� &����'�! ����- ���'-� !��.��'��$� �����'������ )C�� 2��� � @���� 0�&�'�!-� ����'�� &��'������ ���'������55�� 1�� ����!�'! ���! ��' )C� &����'�&���� 2�� ��� &���.��&��� E.'�� '���'��������!�'! /��'����� ��'�� ��,5 ��'� %� � ��.�,�*�-�' ����'�� �����'������ *)�� 3�';�� )&�' 3�=.�(� 2�� ���! �� !���'&���

��� ��&�-������ ��! ��������&��'� �� ��� ��&���& ���!� ��&����

�$��� ��� %����� � � &������ 4�-�'� �� '��'��������$� �� ��� ��'����'� ���'.����'������ ��' � *�+, � )�,? ������-� !�������! �� ��'������ ��'�� ��'����� &����!�

1�� E#C �����'� ������� �� ��� $�'��'��! ���; 2������ ��� ���'� ���; 2���� �� ��'&�� ��'&�! �&�'�������'����'�! &���'��� =� �� ���' ������&���& ���!� ��&� '�&��� �� ������.�'������� ����� ��' � �����'�����&��'���'�� ���!�

��� �� ������� �� ��

4�-� � 1����� E#C ����'�& �� *�+, � )�,?

������-� !�������! �� ��'������ ��'�� ��'��.���

4�-� �� *�-�' �����'�& �� *�+, 2��������'����&

Page 3: Characterization of Al2O3:Eu3+ Luminescent Coatings Prepared by Spray Pyrolysis Technique

��&��� ��' )C� &����'�&���� 2�'� �'���'�! �� �5� �0 �����'��� ��&��'���'���������� ��! 2� $�'��! ��� ���&�� ��'�����-� �� ��� ��'����& �� ��� ���'� ��������'�& � �� 5� ��8� )C� &����'�! '����� �'� ��&&�'�>�! �� 1��� � 1�� '����$��&���� �� ���'��� �� ��� ��&��� ���'����� �� ��� �&���� �� ��'����& �� ��� ���'�������� ���'������ 1��� �� !�� �� ��� ���&��� '������� �� ��� �����'��� ��'���� !�'��-��� ��$��� �$���'����� �'����� ����

� *0, � )�0, � , ��+ � *�+, � )�,� ���0� 0�� �

2��� ���'��� �� � '�&����� �&��'����4�-�'� � ���2� ��� *�-�' �����'�& ��' ��� *�+, 2������ ��'����& �� !���'&��� ���

��&�-������ ��! ��������&��'� �� ��� &���'�� !�������!� =� �� ����'$�! ���� ��� �&��.��!� �� ��� ���-�� ��! ��&���& ���;� ��&��'� 2� 2��� ����� '���'��! ��' *�+, ����� ���!���; �� *)�� =� �����7����� ��� ��.!�������! ��&��� �'� �&��� ��������.&��'�� �� ��&���������3�����&��������� �����'� ��' )� !���! *�+, �'� ���2� �� 4�-� ,� �� �� ������� ��

!�����-���� ���' �&������ ���!� �����'�! �� ��� ��� � � ��! �5� �& 2���� ��''�����!�� �'��������� ���2��� ��� �$�� �C� � �4� �C� � �4 �C� � �4� ��! �C� � �4� '�������$�� �'�& ��� �'�$���� ��'����& ���� 1�� ���� �&��������� '����$� ���������2�� ���2� �� ��� ��&�� 2��� �5, ��8 �� ��'����& ��� 1��� �� 1�� $�'������ ��'����$� ��������� ��' ��� � � �& &���&�&� �&�������� ���; �� � �������� �� ��� ���.��'��� ��&��'���'� �� ��!�����! �� 4�-� 5� =� �� ����'$�! �� ���'���� �� �&�������� �����.���� �� ��� �����'��� ��&��'���'� ���'����� �� ��� '��-� ,�� �� 5�� �0 ��! ���� � ����'�.

���� �'����� 2��� �������� ��������� ����� '��-� 5�� �� �5� �0� 1��� �� ��.�'�&���� ��������� ����$��' �� �'��.��� !�� �� ��� ���'���� �� ���'���������� �� ��� ��&���� ��&��' '�������$� ���� '���'��! �� ��� ���'���'� 9�:�=� 4�-� � �� ���2� ��� ����$��' �� ���

0��'����'�>����� �� *�+,� )�,? @�&�������� 0�����-� ��(

1�� � 0��&��� ��&�������� �� *�+, � )�,? ��&���

)�,? �� ���'� ������� � ��8 ��8 � ��8 � ��8 �� ��8 ,� ��8 5� ��8

���-�� ����� ����( �(�(� � ��� � ��( ��� � ���5���&���& ��� , ����� ���5� ���5� �,��� ��� ( (�((���'��� ��� ��� ��� �(� ��� 5��� ��� ��'����& ���� �� � ���, �5, ���� ,� � 5��,

�&��������� ��������������

���� �� �, �� �� � �

4�-� ,� 3�����&��������� �����'�& ��' )�!���! *�+,

55H

Page 4: Characterization of Al2O3:Eu3+ Luminescent Coatings Prepared by Spray Pyrolysis Technique

'����$� �&��������� ��������� �� � ����.���� �� ��'����& ���&�� ��'�����-� ����� ��&���� 1�� ��������� �� ��� � � �&�&������ '����� '���!� �� ��� �&���� ��)� ���'����� �'�& � �� �� ��8� *���-��' )� �������'����� ��� ���������!��'����� !'�������� 1��� 7�������- ��.���� 2��� ��� )� �������'����� ��� ��������'$�! �'�$����� �� 1� !���! *�+,

��! /� !���! I�� ��! �� ��� ���� ������� �� ��������$� ����!��� �����-� ��� �����&�������& ��' ��� ����''���� �� ���� 7�������- �� ��� � &����' �� ����'�$�'��� =� ��-���'�� �������! ���� ��� 7�������- ������ �� ���������! 2��� ����'������ �&��- )����� �� ��� ���'��� ��� �����! ���'��� ��! �'����� �$�� �� ��� ���'! ���'��� ���-���'����� 9�:�

�� ����� � )�'����& !���! ��&���& ���!� ��&� ��$� ���� !�������! �� ��'���.��� ��'�� ��'����� ������7��� 1�� ��&� 2�'� !�������! �� !����'��� �����'��� ��&��'�.��'� �� ��� '��-� ,�� �� �5� �0 ��! 2��� �� )� �������'����� �� ��� ��'����- ��������� ��� '��-� � �� 5� ��8� 1�� &���'�� !�������! 2�� ���.�'������� �� � ������1�� ���&��� ��&�������� ������� �� ����� ��&��� ���2 ���� ��� �&���� �� 0 ��

��� ��&� ���'����� �� ��� )�0, �&���� �� ��� ���'� ������� ���'����� ��� 1��� � 1���&��������� �����'� ���2�! ���' ���;� ���������! 2��� ��� )�,? �'���������� 1�� &��.�&�& '����$� �&��������� ��������� 2�� ����'$�! �� � � �&� 1�� �&��������� �����.���� ���2� � ����'����� ������ �� � �������� �� �����'��� ��&��'���'�� =� ��� '��-� ,���� 5�� �0 ��� '����$� ��������� ���'����� �� ��� ��&��'���'� ���'����� ��! �� ��-��'�����'��� ��&��'���'�� ��� ��������� '�&���� �&��� �������� �'����� !�� �� ������'��� ������� �� ��� ��&�� 1�� &���&�& �&��������� ��������� ���'�� �� ���'���� ����� )� �������'����� ���'����� ��! ���$� � ��'���� �������'����� ���'� �� � 7�������-

��� �� ������� �� ��

4�-� 5� #����$� ��������� �� ��� � � �& ���;�� �������� �� ��&��'���'�

4�-� �� #����$� ��������� �� ��� � � �& ���;�� �������� �� )�,? �&���� �� ��� ���! ������-�� &����'�! �� )C�

Page 5: Characterization of Al2O3:Eu3+ Luminescent Coatings Prepared by Spray Pyrolysis Technique

������ �� ��� �&���������� 1��� ������ �� ��&��' �� ���� '���'��! �� ����' �� /� !���!I�� ��&��� !�������! �� ��&��' ������7�� 9�:�

������������� 1�� �����'� ����; 3'��� J���K L�>&�K� ��! 3'��� @������ G��M�� ��'�������$� �������� �����'� �� )C� ��! E#C &����'�&�����

%�� ��

9 : �� �� "��� ��! �� �� � ��#���� <��� 3����� , 5� ��5 (�5�9�: �� �� �$���� ���! ����� )���'��� ' � (���9,: �� %� &�� ��� 0���� #���'! �� ��� =���'���� C����� #����'�� 0���� ��� C��-� 0*� (��

�� ����95: �� �� �����'� *�&����& *��� ��'����'� ��! 3'���'���� G����'2�'�� @��!��B6�����-���

((��9�: /� ����� ��! �� �� ��(#�� ��� 0��&���'� �� *!$����! /���'��� )!� 0� %� #� ��� =<.

3*0"G��;2� +���'! ((� �� �� �� �(��9�: �� ������ ) �� ������ ��! �� "� �(# J� F��� ���� 1������ () ((5 (�(�9�: �� ��� �!) �� ��� ���) �� ����� ��! �� �� ����� J� *��� 3���� *� ��� ((��9�: �� ��� �!) �� �����) �� �� *����(�) �� "� ������) �� ����������� ��! �� ���� J� )���'�.

���&� ���� (�+ ��� ((���

0��'����'�>����� �� *�+,� )�,? @�&�������� 0�����-� ��

Page 6: Characterization of Al2O3:Eu3+ Luminescent Coatings Prepared by Spray Pyrolysis Technique