Universität Osnabrück, Graduiertenkolleg Mikrostruktur oxidischer

GRADUIERTENKOLLEG MIKROSTRUKTUR OXIDISCHER KRISTALLE 53
Durch Lumineszenz nachgewiesene magnetische Resonanz an oxidischen
Kristallen
Beginn des Projekts: 01.06.1998
Ende des Projekts: 31.12.1999
Dr. Egils Ruza (Postdoktorand)
Betreuer: Dr. H.-J. Reyher, Prof. Dr. O. F. Schirmer
Zusammenfassung
In unseren früheren Arbeiten mit optisch detektierter magnetischer Resonanz (ODMR) in Emission an Al2O3:Ti
haben wir gezeigt, dass die blau-grüne Lumineszenz dieser Kristalle mit angeregten Triplett-Zentren (T1 und
T2, beide Ti 3+ -O - ) verknüpft ist. Verschiedene Publikationen berichten über ein langlebiges Zentrum mit einer
Emissionsbande bei 480nm (Lit1) sowie über ein kurzlebiges mit Bandenschwerpunkt bei ca. 510nm (Lit2). Es
gilt, T1 und T2 den Zentren Lit1 und Lit2 zuzuordnen. Die hier dargestellten Untersuchungen sowie Modellrechnungen
dazu haben gezeigt, dass die Triplett-Zentren T1 und T2 bei einer Temperatur von 4,2 K eine ähnliche
Lebensdauer des angeregten Zustandes aufweisen. Dies und die erstmals gemessene spektrale Abhängigkeit
der ODMR steht im Einklang mit der Zuordnung T1=Lit1, jedoch im Widerspruch zu T2=Lit2. Durch ODMR-
Untersuchungen ist der Nachweis eines weiteren angeregten Ti 3+ -O - -Zentrums T3 gelungen, das im Vergleich
mit den schon bekannten Zentren eine stärkere Nullfeldaufspaltung ( D ≈ 1, 1 cm -1 -1
statt D ≈ 0, 3 cm ) und eine
sehr T2-ähnliche Emissionsbande aufweist. Hinweise auf weitere T3-ähnliche Zentren wurden ebenfalls gefunden.
Die Zuordnung T3=Lit2 liegt nahe. Es bestand die Bestrebung, Pendants der aus Al2O3:Ti bekannten Zentren
vom Typ Ti 3+ -O - in YAlO3:Ti-Proben mit ODMR nachzuweisen. Jedoch scheiterten alle Versuche, vermutlich
wegen zu kurzer Lebensdauer der angeregten Zustände. Im KTaO3 konnte über die grüne intrinsische Lumineszenz
eine breite unaufgelöste ODMR bei g ≈ 3 nachgewiesen werden, die zur Klärung des Lumineszenzzentrums
beitragen kann.
Stand der Forschung
Messungen im Temperaturbereich von 10 K bis Raumtemperatur in der „blau-grünen“ Lumineszenz in Tidotiertem
Al2O3 zeigten zwei verschiedene Lebensdauern auf (1,4 ms und 47 µs bei 10 K) und lieferten somit
die Erkenntnis, dass zwei Zentren, Lit1 und Lit2, für die „blau-grüne“ Lumineszenz verantwortlich
sind [MBG92]. Verschiedene Zentrenmodelle (Ti 3+ , F + , Ti 3+ -O - , Ti 3+ -O - +VAl) sind vorgeschlagen worden
[MBG92, REJ87, WMB95a, WMB95b, CTS95]. Unsere Arbeiten haben gezeigt, dass nur auf dem Modell
Ti 3+ -O - basierende Zentren mit den ODMR-Ergebnissen vereinbar sind [RRT98]. Die für beide Zentren beobachtete
vergleichbare Sensitivität der ODMR führt zum Schluss, dass die Lebensdauern bei der Temperatur
4,2 K sehr ähnlich sind [R98,GMK00a]. Dies scheint ein Widerspruch mit den erwähnten Literaturdaten zu sein.
Lediglich zwei Erklärungen stehen zur Verfügung: Man kann zeigen, dass die Lebensdauer der „grüne“ Emissionsbande
sich aufgrund des Triplett-Charakters der Zentren drastisch erhöhen kann, wenn die Temperatur von
10 K auf 4,2 K sinkt. Die Zuordnung T2=Lit2 könnte dann aufrecht erhalten werden. Alternativ kann es ein
weiteres Zentrum mit einer T2-ähnlichen Emissionsbande geben, das aber bisher in den ODMR-Messungen
nicht detektiert werden konnte, da seine Lebensdauer zu kurz für diese Detektionsmethode ist. Dieses Zentrum
wäre dann Lit2 gleichzusetzen. Die Arbeiten an Al2O3:Ti dienten der Klärung dieser Fragen. In der Literatur
[BDK96] werden Ti-Zentren ähnlicher Natur in YAlO3:Ti postuliert. Es galt deren Existenz mit ODMR zu überprüfen.
Ergebnisse
Wie erwähnt kann die vergleichbare ODMR-Signalgröße für die Zentren T1 und T2 erklärt werden, indem man
annimmt, dass die Lebensdauern der emittierenden angeregten Zustände bei 4,2 K vergleichbar sind und im ms-
Bereich liegen. Dies wurde durch Messung der ODMR-Signalhöhe als Funktion der Mikrowellenleistung bekräftigt
(Abb. 1). Die Resonanzen beider Zentren sind leicht zu sättigen: Schon ab einer Mikrowellenleistung
von 10 mW nimmt die Signalintensität nicht weiter zu. Wenn die Zentren untereinander verglichen werden,
beobachtet man, dass die Resonanzen von T2 leichter zu sättigen sind als die von T1. Das bedeutet, dass der