Оптичні та фотолюмінесцентні властивості двофазного TiO2 композита анатаз-брукіт, легованого іонами рідкісноземельних елементів

Автор(и)

  • T. Gavrilko Institute of Physics of the Nat. Acad. of Sci. of Ukraine, Institute of Low Temperature and Structure Research, Polish Academy of Sciences
  • T. Khalyavka Department of Energy Conversion and Storage, Technical University of Denmark, Institute for Sorption and Problems of Endoecology of the Nat. Acad. of Sci. of Ukraine
  • J.-C. Grivel Department of Energy Conversion and Storage, Technical University of Denmark
  • Ye. Manuilov Institute of Physics of the Nat. Acad. of Sci. of Ukraine
  • V. Shymanovska Institute of Physics of the Nat. Acad. of Sci. of Ukraine
  • M. Chaika Institute of Low Temperature and Structure Research, Polish Academy of Sciences
  • M. Drozd Institute of Low Temperature and Structure Research, Polish Academy of Sciences

DOI:

https://doi.org/10.15407/ujpe71.4.321

Ключові слова:

TiO2, нанокристали, рiдкiсноземельнi елементи, поглинання в UVVis-NIR дiапазонi, люмiнесценцiя, перенесення енергiї

Анотація

Вперше повiдомляється про оптичнi й люмiнесцентнi властивостi наноструктурованого двофазного TiO2 композита анатаз-брукiт (A/Б TiO2), легованого iонами рiдкiсноземельних елементiв (РЗЕ) Sm3+, Gd3+, Tb3+, Tm3+ i Yb3+. Частинки TiO2 , легованi РЗЕ, мали сферичну форму з типовим розмiром 10–25 мкм у дiаметрi й складалися зi зрощених разом агрегатiв нанокристалiтiв розмiром 5–8 нм. SEM/EDS аналiз пiдтвердив успiшне включення легуючих домiшок РЗЕ на поверхню частинок TiO2. За допомогою IЧ-Фур’є-спектроскопiї виявлено утворення зв’язкiв РЗЕ–Ti–O та РЗЕ–OH поблизу поверхневих дефектних станiв. Спектри дифузного вiдбиття в ультрафiолетовому (UV), видимому (Vis) i ближньому iнфрачервоному (NIR) дiапазонах показали короткохвильовe змiщення максимуму основної смуги поглинання TiO2 для легуючої домiшки Gd3+ та довгохвильовe змiщення краю поглинання для Yb3+. Кiлька характерних смуг поглинання iонiв РЗЕ також виявлено для зразкiв TiO2, легованих Sm3+ -, Tm3+ i Yb3+, що вiдповiдають їх переходам 4f –4f, тодi як зразки, легованi Gd3+ та Tb3+, не показують поглинання в цiй областi. Розрахованi енергiї забороненої зони TiO2, легованого РЗЕ, становили Eg = 3,02 еВ для нелегованих зразкiв i Eg = 2,97, 2,93, 2,92, 2,88 та 2,91 еВ для зразкiв, легованих Sm3+, Tm3+, Tb3+, Yb3+ i Gd3+, вiдповiдно. Показано, що пiд час збудження нанокристалiв А/Б TiO2 вище енергiї забороненої зони TiO2 частинки демонструють характерну люмiнесценцiю, яка вiдповiдає переходам 4f –4f iонiв РЗЕ3+. Пояснено, що в двофазних наноструктурах А/Б TiO2, легованих РЗЕ, областi iнтерфейсу А/Б або поверхнi подiлу зерен у нанокристалах TiO2 можуть легко вмiщувати iони РЗЕ3+ i забезпечити ефективну передачу енергiї вiд TiO2 до iонiв РЗЕ3+ за умови вiдповiдного розташування збуджених енергетичних рiвнiв легуючої домiшки в забороненiй зонi TiO2. Таке перенесення енергiї спостерiгалося лише у зразках, легованих Sm3+, Tb3+ i Tm3+, тодi як для TiO2, легованого Yb3+ i Gd3+, випромiнювання не спостерiгалося через вищу енергiю їхнiх збуджених станiв. Двофазнi наноструктури А/Б TiO2, легованi РЗЕ, можуть мати застосування в багатьох оптичних й iнженерних пристроях у рiзних галузях технiки, таких як свiтлодiоди, оптичнi та комунiкацiйнi пристрої, а також у гетерогенному фотокаталiзi.

Посилання

1. M. Runowski, N. Stopikowska, S. Lis. UV-Vis-NIR absorption spectra of lanthanide oxides and fluorides. Dalton Trans. 49, 2129 (2020).

https://doi.org/10.1039/C9DT04921E

2. F. Wang, R. Deng, J. Wang, Q. Wang, Y. Han, H. Zhu, X. Chen, X. Liu. Tuning upconversion through energy migration in core-shell nanoparticles. Nat. Mater. 10, 968 (2011).

https://doi.org/10.1038/nmat3149

3. Q. Su, S. Han, X. Xie, H. Zhu, H. Chen, C.-K. Chen, R.-S. Liu, X. Chen, F. Wang, X. Liu. The effect of surface coating on energy migration-mediated upconversion. J. Am. Chem. Soc. 134, 20849 (2012).

https://doi.org/10.1021/ja3111048

4. A.A. Bol, R. van Beek, A. Meijerink. On the incorporation of trivalent rare earth ions in II−VI semiconductor nanocrystals. Chem. Mater. 14, 112 (2002).

https://doi.org/10.1021/cm011195s

5. J. Ming, J. Zhou, X. Liu, F. Zhang. Antenna effect for enhanced near-infrared luminescence in lanthanide-doped nanoparticles: mechanisms, strategies, and applications. Adv. Mater. e08521 (2025).

https://doi.org/10.1002/adma.202508521

6. H. Maas, A. Currao, G. Calzaferri. Encapsulated lanthanides as luminescent materials. Angew. Chem. Int. Ed. 41, 2495 (2002).

https://doi.org/10.1002/1521-3773(20020715)41:14<2495::AID-ANIE2495>3.0.CO;2-G

7. D. Yue, W. Lu, L. Jin, C. Li, W. Luo, M. Wang, Z. Wang, J. Hao. Controlled synthesis, asymmetrical transport behavior and luminescence properties of lanthanide doped ZnO mushroom-like 3D hierarchical structures. Nanoscale 6, 13795 (2014).

https://doi.org/10.1039/C4NR04359F

8. E. Anuja, I. Potheher, M. Meena, M. Vimalan. Impact on bandgap, electrical and magnetic properties of SnO2 nanoparticles by cerium and samarium. J. Mol. Struct. 1320, 139617 (2024).

https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2024.139617

9. K.L. Frindell, M.H. Bartl, M.R. Robinson, G.C. Bazan, A. Popitsch, G.D. Stucky. Visible and near-IR luminescence via energy transfer in rare earth doped mesoporous titania thin films with nanocrystalline walls. J. Solid State Chem. 172, 81 (2003).

https://doi.org/10.1016/S0022-4596(02)00126-3

10. M. Saif, M. Abdel-Mottaleb. Titanium dioxide nanomaterial doped with trivalent lanthanide ions of Tb, Eu and Sm: Preparation, characterization and potential applications. Inorg. Chim. Acta 360, 2863 (2007).

https://doi.org/10.1016/j.ica.2006.12.052

11. Z. Liu, J. Zhang, B. Han, J. Du, T. Mu, Y. Wang, Z. Sun. Solvothermal synthesis of mesoporous Eu2O3-TiO2 composites. Micropor. Mesopor. Mater. 81, 169 (2005).

https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2005.01.028

12. T.A. Khalyavka, V.V. Shymanovska, E.V. Manuilov, N.D. Shcherban, O.Y. Khyzhun, G.V. Korzhak, V.V. Permyakov. The influence of la doping on structural, optical, and photocatalytic properties of TiO2 in dyes destruction and hydrogen evolution. In: Nanostructure Surfaces, and Their Applications, Springer Proceedings in Physics, Vol. 246 (Springer, 2021), p. 361.

https://doi.org/10.1007/978-3-030-51905-6_27

13. A. Borkowska, J. Domaradzki, D. Kaczmarek. Influence of Eu dopant on optical properties of TiO2 thin films fabricated by low pressure hot target reactive sputtering. Opt. Applicat. 37, 117 (2007).

14. E. Radha, D. Komaraiah, R. Sayanna, J. Sivakumar. Photoluminescence and photocatalytic activity of rare earth ions doped anatase TiO2 thin films. J. Luminesc. 244, 118727 (2022).

https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2022.118727

15. J. Yin, L. Xiang, X. Zhao. Monodisperse spherical mesoporous Eu-doped phosphor particles and the luminescence properties. Appl. Phys. Lett. 90, 113112 (2007).

https://doi.org/10.1063/1.2712495

16. L. Li, C. Tsung, Z. Yang, G.D. Stucky, L.D. Sun, J.F. Wang, C.H. Yan. Rare-earth-doped nanocrystalline titania microspheres emitting luminescence via energy transfer. Adv. Mater. 20, 903 (2008).

https://doi.org/10.1002/adma.200701507

17. T. Khalyavka, O. Cabezuelo, N. Shcherban, G. Korzhak, P. Yaremov, R. Burve, E. Co¸skun, T.M. Budnyak, J.-C. Grivel. Assessment of rare earth element-doped anatase-brookite composition for photocatalytic hydrogen production and Rhodamine B photodegradation. J. Alloys Compd. 1025, 180292 (2025).

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.180292

18. T. Khaliavka, N. Shcherban, G. Korzhak, P. Yaremov, I. Kopa, R. Burve, E. Co¸skun, J. Grivel. Photocatalytic hydrogen evolution activity of anatase-brookite nanoparticles modified with rare earth metals (Gd, Lu, Tm, Tb, Pr). In: Proceedings of the 16th International Conference on Nanomaterials - Research & Application, October 16-18, 2024/OREA Congress Hotel Brno, Czech Republic, EU (2025), p. 88.

https://doi.org/10.37904/nanocon.2024.4988

19. T. Bezrodna, G. Puchkovska, V. Shymanovska, J. Baran, H. Ratajczak. IR-analysis of H-bonded H2O on the pure TiO2 surface. J. Mol. Struct. 700, 175 (2004).

https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2003.12.057

20. R. Bensasson, E.J. Land. Triplet-triplet extinction coefficients via energy transfer. Trans. Faraday Soc. 67, 1904 (1971).

https://doi.org/10.1039/tf9716701904

21. E.M. Huseynov, E.A. Huseynova. Infrared spectroscopy of nanocrystalline anatase (TiO2) particles under the neutron irradiation. Opt. Mater. 144, 114351 (2023).

https://doi.org/10.1016/j.optmat.2023.114351

22. M. Iliev, V. Hadjiev, A. Litvinchuk. Raman and infrared spectra of brookite (TiO2): Experiment and theory. Vibr. Spectrosc. 64, 148 (2012).

https://doi.org/10.1016/j.vibspec.2012.08.003

23. Y. Zou, X. Tan, T. Yu, Y. Li, Q. Shang, W. Wang. Synthesis and photocatalytic activity of chrysanthemumlike brookite TiO2 nanostructures. Mater. Lett. 132, 182 (2014).

https://doi.org/10.1016/j.matlet.2014.06.078

24. M. Anpo, M. Takeuchi. The design and development of highly reactive titanium oxide photocatalysts operating under visible light irradiation. J. Catal. 216, 505 (2003).

https://doi.org/10.1016/S0021-9517(02)00104-5

25. J. Tauc. Optical properties and electronic structure of amorphous Ge and Si. Mater. Res. Bull. 3, 37 (1968).

https://doi.org/10.1016/0025-5408(68)90023-8

26. S. K. Sharma, T. Behm, T. K¨ohler, J. Beyer, R. Gloaguen, J. Heitmann. Library of UV-visible absorption spectra of rare earth orthophosphates, LnPO4 (Ln = La-Lu, except Pm). Crystals 10, 593 (2020).

https://doi.org/10.3390/cryst10070593

27. S. K. Sharma, J. Beyer, R. Gloaguen, J. Heitmann. Nonquenching photoluminescence emission up to at least 865 K upon near-UV excitation in a single crystal of orangered emitting SmPO4. Phys. Chem. Chem. Phys. 21, 25669 (2019).

https://doi.org/10.1039/C9CP05663G

28. J.A. Capobianco, F. Vetrone, J.C. Boyer, A. Speghini, M. Bettinelli. Enhancement of red emission (4F9/2 →4I15/2) via upconversion in bulk and nanocrystalline cubic Y2O3 : Er3+. J. Phys. Chem. B 106, 1181 (2002).

https://doi.org/10.1021/jp0129582

29. Y. Wang, K. Zheng, S. Song, D. Fan, H. Zhang, X. Liu. Remote manipulation of upconversion luminescence. Chem. Soc. Rev. 47, 6473 (2018).

https://doi.org/10.1039/C8CS00124C

30. L. Kernazhitsky, V. Shymanovska, T. Gavrilko, V. Naumov, L. Fedorenko, V. Kshnyakin, J. Baran. Photoluminescence of Cr-doped TiO2 induced by intense UV laser excitation. J. Lumin. 166, 253 (2015).

https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2015.03.034

31. Y. Lei, L.D. Zhang. Fabrication, characterization, and photoluminescence properties of highly ordered TiO2 nanowire arrays. J. Mater. Res. 16, 1138 (2001).

https://doi.org/10.1557/JMR.2001.0157

32. M. Chaika, S. Ubizskii, J. Kajan, T. Gregor, G. Gamazyan, L. Marciniak. On the nature of CT luminescence in Yb3+: YAG single crystal under low photon energy. Opt. Mater. 130, 112548 (2022).

https://doi.org/10.1016/j.optmat.2022.112548

33. A. Szysiak, R. Tomala, H. We˛glarz, J. Kajan, M. S lobodzian, M. Chaika. Toward more performant eye safe lasers: Effect of increasing sensitizer amount in Yb3+, Er3+: YAG transparent ceramic on its spectral characteristics. J. Eur. Ceram. Soc. 45, 117365 (2025).

https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2025.117365

Завантаження

Опубліковано

2026-04-21

Номер

Том 71 № 4 (2026)

Розділ

Зміст

Ліцензія

Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна

Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:

1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.

2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.

3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.

4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.

5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.

6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.

Як цитувати

Оптичні та фотолюмінесцентні властивості двофазного TiO2 композита анатаз-брукіт, легованого іонами рідкісноземельних елементів. (2026). Український фізичний журнал, 71(4), 321. https://doi.org/10.15407/ujpe71.4.321

Статті цього автора (цих авторів), які найбільше читають

1 2 > >>