Завершив процесс гидролиза в золь добавляли аэросил (40 гр) размером частиц 5-10 нм. Аэросил использовался как наполнитель, который уменьшает значительную усадку гелей при сушке.

Рис.2.1. Зависимость температуры (toc) смеси ТЭОС/вода от времени (t,мин) гидролиза и поликонденсации.

Ультразвуковая обработка.

Завершив процесс гидролиза проводилась ультразвуковая обработка, в течение 1-2 часов.

Центрифугирование.

Для удаления из золь-аэросильной дисперсии случайных примесей и частиц аэросила, неподвергшиеся диспергированию, проводился процесс центрифугирования смеси, в течение 40-45 мин.

Гелеобразование (литье золей в формы).

В качестве форм использовались, смазанные вазелином, чашки Петри. В очищенную дисперсию добавлялось необходимое количество раствора аммиака при постоянном умеренном механическом перемешивании. Установлено, что оптимальным временем гелеобразования в системе “золь-коллоид” является 15-30 минут. Это время определяется до момента потери системой вязко-текучих свойств. В случае быстрого гелеобразования (менее 15 минут) в теле геля остаются пузырьки воздуха, которые в будущем стекле превращаются в закрытые поры и приводят к оптическим дефектам. При медленном гелеобразовании (более 30 минут) формируется достаточно неоднородная структура (за счет оседания более крупных частиц аэросила под действием силы тяжести), что приводит к растрескиванию геля при сушке и при переходе в монолитное стекло.

Операция сушки геля.

Сушки гелей является самой длительной стадией в технологической цепочке получения ксерогелей и, в дальнейшем, монолитного гельного кварцевого стекла.

В процессе сушки гелей можно выделить следующие стадии:

удаление легколетучих растворителей;

удаление воды;

удаление остатков непрореагировавшего ТЭОСа;

завершение процессов поликонденсации.

Описанные стадии сопровождаются усадкой заготовок и могут проходить с различной скоростью. Для проведения сушки контейнер с заготовкой помещали в сушильный шкаф и выдерживали в течение 7-10 суток. Об окончании операции сушки судили по изменению массы (до постоянной массы).

Рис. 2.2. Изменение линейных размеров (r) ксерогеля при сушке (d - дни).

Рис. 2.3. Усадка. Изменение массы (m) ксерогеля при сушке (d - дни).

Спекание до стеклообразного состояния.

Спекание заготовок производилась с целью стеклования объема и получения прозрачного однородного материала со свойствами, присущими кварцевому стеклу.

3. Кварцевые стекла, активированные ионами европия

3.1 Кварцевые стекла, активированные ионами Eu3+

Европий. Трехвалентный европий -- достаточно распространенный редкоземельный активатор кристаллов [8~10], стекол [1-5, 11] и органических растворов [12]. Спектры трехзарядных ионов европия привлекали внимание многих исследователей благодаря высокому квантовому выходу люминесценции и сравнительно простой структуре энергетических уровней, что упрощает интерпретацию оптических переходов и их использование для исследования строения центров люминесценции. В связи с этим Eu3+ считается хорошим спектроскопическим зондом структуры многих веществ [13-15].

В стекле Еu3+ эффективно люминесцирует в красной области спектра 611 нм (5Do > 7F2) и л = 701 нм (5D0 > 7F4) (рис. 1, б). В этих полосах сосредоточена основная доля излучения -- соответствующие коэффициенты плавления 60 и 20%. Схема уровней не предполагает концентрационного решения ни по кросс-релаксационной схеме, ни по механизму электрон-ионного взаимодействия с разменом энергии излучательного уровня на возбуждение колебаний гидроксильных групп. Во всех исследованных матрицах при увеличении концентрации европия вплоть до 20 мол.%, время жизни метастабильного уровня 5D0 оставалось постоянным (табл.1), квантовый выход был близок к единице. Исключение составляла боратная матрица, в которой тушение Еu3+ начинается с концентраций менее мол.%. В этой же матрице европий имеет минимальные значения сечений вынужденного излучения: у1==1.2•10-21 см2 (5D0>7F2) и у2=0.8•10-21 см2 (5D0>7F4). Максимальные для Еu3+ сечения излучения имеет фосфатная матрица-- у1=2.2•10~21 см2 (метафосфат европия) и у=1.0•10-21 см2 (фосфатное стекло промышленного состава).

На рис. 1, а представлен спектр поглощения европия и схема переходов нижних уровней 7Fi. Следует обратить внимание на присутствие в спектре поглощения полосы л= 611 нм, соответствующей переходу 7F2 > 5D0.

Уровень 7D2 заселяется термически, и при T=300 К населенность его всего на два порядка меньше населенности основного состояния. Это поглощение может привести к реабсорбции излучения люминесценции, соответствующей переходу 5D0 > 7F2 (л = 611 нм). Другой механизм реабсорции связан с тем, что у европия существует возможность возникновения индуцированного поглощения с метастабильного уровня 5D0 на высокие энергетические состояния 5H6 и 5Fj. В кристаллах в связи с узостью соответствующих переходов область реабсорбции, если она и возникает, тоже узка. В стекле неоднородное уширение приводит к расширению спектральных областей возможной реабсорбции по второму механизму. Положение и ширина спектральной области фотоиндуцированного поглощения (ФИП), определенная как Дфип = ?погл + ?люм (?погл и ?люм -- полуширины полосы поглощения 7F0>5D0 и люминесценции), зависят от состава стеклообразной матрицы (рис. 2, заштрихованные области). Как видно из спектров рис. 2, в обоих случаях области энергий ФИП совпадают с положением реальных полос поглощения, соответствующих оптическим переходам 7F0?5Fj и 7F0?5H6. Переход Еu3+ в возбужденные состояния 5Fj и 5H6 в случае возникновения ФИП происходит в две стадии: 7F0?5Fj =(7F0>5D0)+ ( 5D0>5Fj) и 7F0>5H6=(7F0>5D0) + (5D0 > 5H6). Поскольку 5D0>5Fj?5D0>7F2 и 5D0>5H6?5D0>7F4, уменьшение населенности метастабильного уровня 5D0 может происходить за счет поглощения излучения люминесценции по схеме ФИП. Для трехвалентного европия в стекле этот процесс является основным источником потерь.

Что касается иона Eu3+, то он часто используется в качестве люминесцентного зонда, так как имеет достаточно простую структуру энергетических уровней. В [41] подробно описаны результаты ряда работ, посвященных использованию ионов Eu3+ в таком качестве, а также сведения о свойствах и особенностях люминофоров, активированных европием.

В статьях [42, 43] использовали ионы европия для изучения локальной структуры стекла. В частности, переход 5D07F2 очень чувствителен к изменению локального окружения иона Eu3+ [44], переход же 5D07F1 практически не зависит от этого фактора. Авторы статьи [45] сообщают, что отношение интенсивностей люминесценции переходов 5D07F2 и 5D07F1 указывает на степень асимметрии окружения иона европия и на степень ковалентности связи Eu-O. Это отношение интенсивностей, таким образом, дает информацию о структуре стекла. Работа [44] описывает влияние на отношение интенсивностей переходов 5D07F2 и 5D07F1 стеклообразующего элемента, а [45] - щелочных ионов. Влияние ионов-модификаторов на спектры люминесценции и поглощения европия в силикатных стеклах состава M2O-SiO2-Eu2O3 (M=Li, Na, K) и MeO-SiO2-Eu2O3 (Me=Ca, Sr, Ba) описано в статье [46].

Исследование влияния различных модификаций золь-гель процесса приготовления стекла на люминесценцию иона Eu3+ в этом стекле описано в статье [47]. В качестве изменяющихся параметров выступали температура высушивания ксерогелей, pH золя, мольное отношение ТЭОС/вода и концентрация ионов алюминия, вводимого в качестве дополнительного активирующего элемента. В статье [48] методами лазерно-индуцированного сужения флуоресцентных линий и измерения времени жизни различных энергетических уровней исследовались Eu3+ содержащие гельные стекла. Показано, что ионы европия в таких стеклах имеют тенденцию образовывать кластеры. Кроме того, имеет место эффект тушения флуоресценции гидроксильными группами. Усиление такого тушения соответствует уменьшению времени флуоресценции.

Концентрационные эффекты в спектрах люминесценции европия описаны в работе [49]. В качестве матрицы использовались силикагели, эпоксидная ормосильная матрица (ормосил - органически модифицированный силикат) и акрилатная ормосильная матрица. При сравнении матриц, активированных EuCl3 и Eu(TTFA), оказалось, что во всех трех матрицах интенсивность люминесценции ионов Eu3+ при введении в виде комплекса Eu(TTFA) по меньшей мере в 40 раз выше, чем при введении в виде EuCl3. Тогда как интенсивность люминесценции матриц, активированных EuCl3, описывается зависимостью, аналогичной закону Бугера-Ламберта-Бера, интенсивность люминесценции матриц, активированных органическим комплексом европия, растет с ростом концентрации ионов активатора, а заметный эффект концентрационного тушения наступает лишь при концентрациях свыше 1020 ионов/ см3. Этот эффект связан с различным лигандным окружением ионов европия.

Люминесценция иона Eu3+ в стеклах состава Al2О3-SiO2, приготовленных золь-гель методом, описана в статье [50]. Показано, что состав данного стекла практически не влияет на характер люминесценции иона Eu3+, что свидетельствует о низкой степени симметрии окружения иона европия в стекле состава xAl2O3(100-x)SiO2 (x20). Показано, что поскольку сила связи Al-O слабее, чем сила связи Si-O, поляризация иона европия тетраэдрами [AlO4] тоже слабее, чем поляризация тетраэдрами [SiO4]. Квантовый выход люминесценции ионов Eu3+ в алюмосодержащих стеклах падает с ростом содержания алюминия.

Локальные связи иона Eu3+ с его ближайшим окружением в гелях и гельных стеклах были исследованы в работе [51]. Образцы были получены путем гидролиза и конденсации алкоксидов кремния в присутствии гидратированных солей редкоземельных ионов. На относительную интенсивность флуоресценции иона Eu3+ во влажном геле (переход 5D0 7F2) влияет анион исходной соли (Cl- или NO3-). Если ион Eu3+ вводится перед гидратированием в виде нитрата, то интенсивность излучательного перехода 5D0 7F2 в два раза больше, чем для перехода 5D0 7F1 как перед гелеобразованием, так и во влажном геле. Когда используется хлорид европия, интенсивность перехода 5D0 7F2 меньше, чем перехода 5D0 7F1.Эти факты указывают на асимметрию связей в ионе Eu3+ при использовании нитрата, что может быть связано с частичным координированием иона Eu3+ ионом NO3-. Ион Cl- менее эффективен как координирующий ион европия (спектр флуоресценции соответствует более симметричной сольватной оболочке). При нагреве и термическом уплотнении разница в спектрах уменьшается.

Эффект выжигания стационарных провалов в спектрах ионов Eu3+ описан в работе [52] для полученного золь-гель методом европийсодержащего стекла. Кроме того, двухзарядные ионы европия являются многообещающим активатором для получения эффективных люминофоров и детекторов ионизирующей радиации [53, 54].

3.2 Кварцевые стекла, активированные ионами Eu2+

Важнейшими параметрами активированных стекол, характеризующими эффективность преобразования энергия возбуждения в свечение, являются квантовый и энергетический выходы люминесценции. Если для редкоземельных ионов, люминесценция которых обусловлена запрещенными по четности f--f-переходами, эти параметры хорошо исследованы [1-4], то для активаторов, у которых излучательными являются состояния смешанной электронной конфигурации 4fn-15d (Еu2+ и Се3+), сведения об эффективности свечения крайне немногочисленны [5, 6]. Вместе с тем, кварцевые стекла с Еu2+ и Се3+ являются перспективными с точки зрения: использования их в качестве катодолюминофоров и детекторов ионизирующего излучения.

Проведено измерение абсолютных квантового и энергетического выходов люминесценции Еu2+ и Се3+ ,в кварцевых стеклах, при разных видах возбуждения. Кроме того, выявлено сильная спектральнокинетическая неэквивалентность активаторных центров Еu2+ и Се3+ в кварцевом стекле [7], поэтому была предпринята попытка обнаружить, проявление этой неэквивалентности в квантовом выходе люминесценции. Для этого была измерена его зависимость от длины волны возбуждающего света (лв).

Абсолютный квантовый выход люминесценции (q) измерялся на установке с фотометрическим шаром, аналогичной описанной в [2], по модифицированной методике. Обычно количество возбуждающего света, поглощенного образцом, и интенсивность его люминесценции измеряются с использованием полностью скрещенных светофильтров Фв и Фл, пропускающих только возбуждающий свет или свет люминесценции соответственно. Однако близость спектральных областей возбуждения и свечения не позволяет подобрать такие светофильтры для выделения широкополосной люминесценции Еu2+ и Се3+ (рис. 1) без сильных искажений ее спектра. Правда, если в спектральной области возбуждения независимо измерить пропускание образца, расположенного в шаре, то скрещенности светофильтров можно не добиваться, а определять интенсивность люминесценции с помощью приемного светофильтра Ф+л, который прозрачен и для возбуждающего света. Для этого только нужно учесть сигнал, создаваемый возбуждающим светом, который пропущен образцом в шаре. Роль Ф+л в нашем случае играл светофильтр БС-11 (3 мм).

Страницы: 1, 2, 3, 4