Universität Osnabrück, Graduiertenkolleg Mikrostruktur oxidischer

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48 UNIVERSITÄT OSNABRÜCK, FACHBEREICH PHYSIK Ergebnisse Bevor die eigentlichen Ergebnisse dargestellt werden, soll kurz die Vorgehensweise bei der ODMR erklärt werden. Bei konstanter optischer Anregung wird das Magnetfeld variiert, wobei mit ebenfalls konstanter Leistung die Mikrowelle an die Probe geführt wird. Sobald das Magnetfeld den Wert der Elektronen-Spin-Resonanz bei der vorgegebenen Mikrowellenfrequenz erreicht hat, ändert sich die Intensität der durch die optische Anregung hervorgerufenen Lumineszenz. Diese Änderung wird als Funktion des Magnetfeldes dargestellt. Aus modulationstechnischen Gründen bekommt man in unserem Fall nicht die Mikrowellenabsorptionskurve, sondern deren Ableitung. Die vollständige Information über die untersuchten paramagnetischen Zentren kann, wie in der magnetischen Resonanzspektroskopie üblich, erst durch Messung der Winkelabhängigkeiten der Signale gewonnen werden. Dazu wird eine Reihe von ODMR-Spektren gemessen, die sich durch die Orientierung der Probe bezüglich der Achse des Magnetfeldes unterscheiden. Lumineszenzintensität (arb.units) 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 600 Wellenlänge (nm) 500 400 a b c 16 20 24 28 32 Wellenzahl (·10 3 cm -1 ) 350 Abbildung 1: Das Lumineszenzspektrum des untersuchten Al2O3:Ti-Kristalls (a), angeregt zwischen 250 nm und 300 nm, gemessen bei einer Temperatur von 2 K. Frei skaliert sind die bei Raumtemperatur gemessene „blaue“ (b) und „grüne“ (c) Lumineszenzbande aus [12]. Durch Absorptionsmessungen bei Raumtemperatur wurden in unserer Probe die zwei bekannten überlappenden Absorptionsbanden bei ca. 20 000 cm -1 analysiert, die von dem 2 T2 → 2 E Übergang des Ti 3+ -Zentrums kommen [16]. Es wurde auf eine Ti 3+ -Konzentration von 4,0·10 18 cm -3 geschlossen. Anhand der UV-Absorptionsbande bei ca. 45 000 cm -1 , die zum Charge-Transfer-Übergang des Ti 4+ -Zentrums [13] gehört, konnte die Konzentration der Ti 4+ -Zentren auf 0,8·10 18 cm -3 geschätzt werden. Da Wong et al. in [13] von einem Verhältnis [Ti 4+ ]/[Ti 3+ ]=0,14 in einer „as grown“ Probe berichten, muss man schließen, dass unser Kristall mit [Ti 4+ ]/[Ti 3+ ]=0,2 unter etwas stärker oxidierenden Bedingungen gezogen wurde. Mittels konventioneller ESR konnten alleine die Resonanzen vom isolierten Ti 3+ -Zentrum beobachtet werden. Es liegen also keinerlei Hinweise für die Existenz von F + -Zentren oder sonstigen paramagnetischen Zentren in dem untersuchten Kristall vor. Bei T=2 K zeigte die untersuchte Probe das in Abb. 1 (a) dargestellte Lumineszenzspektrum. In diese Abbildung wurden auch die bei Raumtemperatur gemessenen Lumineszenzspektren aus [12] eingetragen. Dabei ist (b) die „blaue“ und (c) die „grüne“ Lumineszenz mit den entsprechenden Anregungswellenlängen von 255 nm und 300 nm. Die Abbildung macht plausibel, dass die gemessene Lumineszenzbande der untersuchten Probe aus den beiden schon früher bekannten Teilbanden besteht. Der Unterschied zwischen der rechten Flanke der Gesamtbande und der rechten Flanke der (b)-Teilbande kann temperaturbedingt sein. Somit können wir davon ausgehen, dass sich unsere Untersuchungen mit den in der Literatur betrachteten Zentren befassen.
ODMR Signal GRADUIERTENKOLLEG MIKROSTRUKTUR OXIDISCHER KRISTALLE 49 34 GHz, 2 K 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 Magnetfeld B (mT) 90° B || [1210] 53° 0° B||[0001] Abbildung 2: ODMR der Gesamtintensität der „blau-grünen“ Lumineszenz. ODMR-Spektren werden für drei Magnetfeldorientierungen bei Drehung des B -Feldes um die [ 101 0] -Achse gezeigt. Der Winkel wird zwischen der dreizähligen [ 0001] -Achse des Kristalls und dem statischen Magnetfeld gemessen. Wegen der Modulationsart treten die Resonanzen als „up-down“- Strukturen auf (Zunahme der Lumineszenzintensität durch Resonanz). Mit Pfeilen sind Resonanzen gekennzeichnet, die umgekehrt verlaufen („downup“ – Abnahme ). In der „blau-grünen“ Lumineszenz von Al2O3:Ti wurden zwei Gruppen von Resonanzen festgestellt. Eine Gruppe liegt bei g = 2 (in Abb. 2 für verschiedene Orientierungen bei ca. 1200 mT), die andere in der Nähe von g = 4 (nicht gezeigt). Die meisten Resonanzen erhöhen die Lumineszenzintensität, bei manchen Winkeln aber führen die Resonanzen aufgrund einer anderen Mischung der Zustände zu einer Minderung der Lumineszenzintensität (markiert mit Pfeilen). Drehwinkel (Grad) 200 150 100 50 0 -50 4 6 5 5 6 [0001] [1210] 3 3 2 2 1 1 [0001] 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 Magnetfeld B (mT) Abbildung 3: Winkelabhängigkeit der Al2O3:Ti-ODMR bei Drehung um die [ 101 0] -Achse. Mikrowellenfrequenz 34.18 GHz, Anregung bei 250 nm. Messbereich 330 nm bis 680 nm. Mit Kreisen und Kreuzen sind Messpunkte dargestellt. Ihre Größe entspricht der Intensität der Resonanz, Kreis bedeutet eine Zunahme und Kreuz eine Abnahme der Lumineszenz während der Resonanz. Die durchgezogenen Linien sind Fitkurven, die die mit einem geeigneten Spin-Hamiltonian berechneten Resonanzlagen wiedergeben. Alle Linien gehören zum Zentrum T1, welches in sechs inäquivalenten Orientierungen auftritt. Nicht durch den Fit erfasste Resonanzzweige stammen von einem weiteren Zentrum T2 (vgl. Tab. 1). 4
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