Universität Osnabrück, Graduiertenkolleg Mikrostruktur oxidischer

GRADUIERTENKOLLEG MIKROSTRUKTUR OXIDISCHER KRISTALLE 47
Durch Lumineszenz nachgewiesene magnetische Resonanz: Aufbau
eines Spektrometers und Messungen an den Laserkristallen Al2O3:Cr
und Al2O3:Ti
Beginn des Projekts: 01.08.1994
Beginn der Förderungsperiode: 01.07.1997
Ende des Projekts: 31.07.1997
Dipl. Phys. Egils Ruza
Betreuer: Dr. H.-J. Reyher, Prof. Dr. O. F. Schirmer, apl. Prof. Dr. M. Wöhlecke
Zusammenfassung
Im Berichtzeitraum ist die ODMR-Messapparatur, deren Aufbau schon im vorherigen Teilbericht [1] geschildert
wurde, weiter verbessert und intensiv verwendet worden. Mit der optisch detektierten magnetischen Resonanz
(ODMR) in Lumineszenz ist eine Klärung der bisher kontrovers diskutierten Modelle der „blau-grünen“
Lumineszenz in Ti-dotiertem Al2O3 gelungen. Die Daten aus den ODMR-Messungen des angeregten Zustandes
erlaubten, die „blaue“ und die „grüne“ Lumineszenzbande jeweils einem Ti 3+ -O - -Defektzentrum zuzuordnen.
Des weiteren lieferte die ODMR Informationen über die unterschiedliche mikroskopische Struktur der Defektzentren.
ODMR-Messungen in Cr-dotiertem Al2O3 ermöglichten eine Kalibrierung des Messaufbaus.
Stand der Forschung
Von Ti-dotiertem Al2O3 ist vor allem die Emissionsbande im nahen IR bekannt, da die entsprechenden Übergänge
beim Ti-Laser aktiv sind. Die Wechselwirkung des angeregten d-Elektrons von Ti 3+ mit dem Gitter führt
zu einer dynamischen Verbreiterung der Emissionsbande, die die Basis für den breiten Abstimmbereich des Ti-
Lasers bildet [2]. Neben der NIR-Emissionsbande ist auch seit langem eine Emission im blauen Wellenlängenbereich
in vielen Ti-aktivierten Materialien bekannt [3,4]. In Al2O3:Ti wurde diese Lumineszenz bei Raumtemperatur
erst 1985 beobachtet und mit Ti 4+ korreliert [5,6], da durch das Tempern des Kristalls ihre Intensität
zugunsten der Ti 3+ -Emission abgenommen hat. Später wurde die „blaue“ Emission einem (4s→3d)-Übergang
von Ti 3+ zugeordnet [7]. In Konkurrenz dazu steht das Modell, dass diese Lumineszenz nicht von einem Ti 3+ -
Zentrum kommt, sondern eher von einem Aggregat-Zentrum stammt [8]. Dagegen haben Blasse et al. durch
Temperexperimente diese Lumineszenzbande einem Ti 4+ -O 2- -Charge-Transfer-Übergang zugewiesen [9]. Weitere
Untersuchungen haben gezeigt, dass die UV-angeregte Lumineszenz von Al2O3:Ti zwei verschiedene Komponenten
mit unterschiedlichen Lebensdauern [10] und Maxima [11] besitzt, die „blaue“, langlebige Teilbande
und die „grüne“, kurzlebige Teilbande (Lebensdauern 1.4 ms und 47 µs bei T=10 K). Diese Teilbanden weisen
unterschiedliche Anregungsspektren auf. Die „blaue“ wird mit 255 nm und 272 nm, und die grüne mit 295 nm
angeregt [12]. Zur Erklärung der kurzlebigen „grünen“ Teilbande wurde der (4s→3d)-Übergang von Ti 3+ vorgeschlagen,
da sich dadurch die Abhängigkeit der Emissionseffizienz von der Anregungsintensität erklären
ließ [11]. Im Gegensatz dazu schlug Yamaga für die grüne Teilbande ein modifiziertes Ti-Charge-Transfer-
Modell vor, wobei das Ti 4+ -Zentrum von einer direkt benachbarten Al-Vakanz 1 gestört sein soll [12]. Durch
Untersuchungen an Al2O3:Ti-Proben und kodotierten Al2O3:Ti,Mg-Proben wurde das Modell der lokal kompensierten
Charge-Transfer-Zentren gestützt, da die Lebensdauern der „grünen“ Teilbande in beiden Proben unterschiedlich
waren [13,14]. Aufgrund dessen, dass auch in undotierten synthetischen Al2O3-Kristallen eine blaue
Lumineszenz vorhanden ist, wurde neuerdings das F + -Zentrum für die Lumineszenz im Sichtbaren verantwortlich
gemacht [15]. Die F + -Zentren-Bildung soll nach Ref. [15] durch Ti-Dotierung gefördert werden.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit bestand darin, diese widersprüchlichen Modelle der Al2O3:Ti-Lumineszenz im
Bereich von 400 nm bis 700 nm zu überprüfen.
1
Die Vakanzen sind negativ zum Gitter geladen und kompensieren somit den positiven Ladungsüberschuss, der
durch den Einbau von Ti 4+ -Zentren entsteht.