Spectroscopy study of Er3+ -doped Gd2O2S

Abstract

RESUMEN: El objetivo principal de este trabajo es realizar una caracterización espectroscópica del compuesto Gd2O2S: Er3+(10%) en polvo microcristalino. Se ha llevado a cabo un estudio profundo de sus propiedades ópticas, centrándonos en los fenómenos de upconversion (UC). En general, los oxisulfuros activados con iones trivalentes de tierras raras son fósforos luminiscentes con una alta eficiencia. En particular, se ha demostrado que un 10% Er3+ es la concentración optima para conseguir la emisión UC más eficiente en oxisulfuro de gadolinio bajo excitación en 1510 nm. Se han obtenido espectros de emisión UC a diferentes temperaturas entre 10 K y 300 K excitando a 980 nm. También se ha observado luminiscencia de up-conversion múltiple: emisión azul, verde y roja excitando en cinco niveles diferentes del Er3+, lo cual nunca antes se había observado en un material de UC. También se ha podido medir la evolución temporal de la emisión UC trabajando con diferentes energías de excitación. Esto nos ha permitido identificar en cada caso si el mecanismo de UC dominante era una multi-absorción simultánea de fotones o bien procesos de transferencia de energía. Además, se han utilizado espectros Raman y de reflectancia para estudiar tanto la red como las impurezas de Er3+. Como resultado, determinamos la longitud de onda adecuada para excitar la emisión del Er3+ y también la energía máxima de los fonones de la red. Se ha determinado el desdoblamiento por campo cristalino de dos estados excitados del Er3+, 4S3/2 y 4F9/2, y del nivel fundamental, 4I15/2, por medio del estudio de los espectros de emisión y excitación a baja temperatura y su evolución a medida que ésta aumenta.ABSTRACT: The main goal of this work is the spectroscopic characterization of a microcrystalline powdered sample of Gd2O2S: Er3+(10%). A complete study of its optical properties has been done, focusing on NIR to VIS up-conversion (UC) phenomena. In general, oxysulfides activated with trivalent rare earth ions have shown to be phosphors with high luminescence efficiency. In particular, 10% Er3+ is the optimum concentration to achieve the highest UC efficiency with Er3+-doped gadolinium oxysulfide upon 1510 nm excitation. Up-conversion emission spectra were obtained under 980 nm excitation at different temperatures from 10 K to 300 K. Also, multi-upconversion luminescence was observed: blue, green and red emission under excitation into five different Er3+ excited states, which had never been observed before in any UC material. The temporal evolution of UC luminescent emission under different excitation energies was also measured, which enabled us to identify the dominant UC mechanism, simultaneous multi-photon absorption or energy transfer processes. In addition, Raman and reflectance spectroscopy has been used in order to study both the host material and the dopant ion. As a result, we determined the appropriate wavelength at which Er3+ emission can be excited and also the maximum phonon energy of the lattice. The determination of the magnitude of the crystal-field splitting of two Er3+ excited states, 4S3/2 and 4F9/2, and the ground state, 4I15/2, was achieved through the study of the temperature dependence of excitation and emission spectra.Grado en Físic