Ukrainian Journal of Physical Optics 
Home page
 
 

Other articles 

in this issue
Luminescence spectroscopy and electronic structure of Zr- and Bi-containing phosphate crystals

Hizhnyi Yu.

Download this article

Abstract. Intrinsic photoluminescence (PL) properties of ZrP2O7, KZr2(PO4)3, K2BiZr(PO4)3 and BiPO4 phosphate crystals are studied in the excitation photon-energy range 3.7÷20 eV. The electronic band structures of these crystals are calculated using a full-potential linear augmented plane-wave method. The origins of the intrinsic luminescence in phosphate compounds under study are analyzed basing on the experimental and computational results. It is found that the short-wavelength PL components for the K2BiZr(PO4)3 compound located at 380÷420 nm should be associated with the emission of Zr-related centres. The long-wavelength emission component for this crystal located near 480 nm should be attributed to the emission of Bi-related centres. The bands in the PL excitation spectra of K2BiZr(PO4)3, which are located near 4.9 and 5.5 eV, have a Bi-related nature, whereas the bands observed above 6.5 eV are associated with Zr.

Keywords: luminescence, phosphates, electronic structure, bismuth, zirconium

PACS: 42.70.Hj, 71.20.Ps, 78.55.Hx
UDC: 535.3, 538.9
Ukr. J. Phys. Opt. 17 32-38
doi: 10.3116/16091833/17/1/32/2016
Received: 16.11.2015

Анотація. Вивчено власну фотолюмінесценцію (ФЛ) фосфатних кристалів ZrP2O7, KZr2(PO4)3, K2BiZr(PO4)3 і BiPO4 у діапазоні фотонних енергій збудження     3,7÷20еВ. Зонну структуру цих кристалів розраховано з використанням лінеаризованого методу приєднаних плоских хвиль. Походження власної люмінесценції фосфатних сполук проаналізовано на основі одержаних експериментальних і розрахункових результатів. Встановлено, що короткохвильові компоненти ФЛ для сполуки K2BiZr(PO4)3, розташовані при 380 ÷ 420 нм, слід приписувати випромінюванню центрів, пов'язаних із Zr. Довгохвильову емісійну компоненту для цих кристалів, пік якої розташований поблизу 480 нм, слід відносити до випромінювання центрів, пов'язаних із Bi. Смуги в спектрах збудження ФЛ K2BiZr(PO4)3, розташовані поблизу 4,9 і 5,5 еВ, мають природу, пов'язану з Bi, тоді як смуги, спостережувані вище за 6,5 еВ, пов'язані з Zr.
REFERENCES
  1. Kaneyoshi M and Nakazawa E, 2005. Luminescence of YPO4:Zr and YPO4:Zr, Mn under vacuum ultraviolet excitation. J. Electrochem. Soc. 152: H80–H83. doi:10.1149/1.1914750
  2. Wu Ch and Wang Y, 2007. Study of excitation spectra of ZrP2O7:Tb in vacuum ultraviolet region. Mater. Lett. 61: 5037–5039. doi:10.1016/j.matlet.2007.03.099
  3. Zhang Zh, Yuan J, Chen H, Yang X, Zhao J, Zhang G and Shi C, 2009. Vacuum ultraviolet spectroscopic properties of rare-earth (RE) (RE = Eu, Tb, Dy, Sm, Tm)-doped K2GdZr(PO4)3 phosphate. Solid State Sci. 11: 549–555. doi:10.1016/j.solidstatesciences.2008.07.008
  4. Shi L and Seo H J, 2011. Tunable white-light emission in single-phased K2Y1–xEuxZr(PO4)3 phosphor. Opt. Express. 19: 7147–7152. doi:10.1364/OE.19.007147
  5. Liang W and Wang Yu, 2011. Energy transfer between Pr3+ and Mn2+ in K2YZr(PO4)3:Pr,Mn. Mater. Chem. Phys. 127: 170–173. doi:10.1016/j.matchemphys.2011.01.052
  6. Nedilko S, Chornii V, Hizhnyi Yu, Scherbatskyi V, Slobodyanik M, Terebilenko K, Boyko V and Sheludko V, 2013. Luminescence spectroscopy and electronic structure of Eu3+-doped Bi- containing oxide compounds. Functional Mater. 20: 29–36. doi:10.15407/fm20.01.029
  7. Arunkumar P, Jayajothi C, Jeyakumar D and Lakshminarasimhan N, 2012. Structure-property relations in hexagonal and monoclinic BiPO4:Eu3+ nanoparticles synthesized by pol-yol-mediated method. RSC Adv. 2: 1477–1485. doi:10.1039/C1RA00389E
  8. Sanyasi N B, Vishwanadh B, Sudarsan V and Kumar V R, 2012. BiPO4: a better host for doping lanthanide ions. Dalton Trans. 41: 3194–3203. doi:10.1039/c2dt11944g
  9. Zhao M, Zheng G, Li J, Wang L, Li H and Yang L, 2011. Preparation and polymorph-sensitive luminescence properties of BiPO4:Eu. Part I: Room-temperature reaction followed by a heat treatment. Cryst. Eng. Comm. 13: 6251–6257. doi:10.1039/c1ce05629h
  10. Zhao M, Li L, Zheng J, Yang L and Li G, 2013. Is BiPO4 a better luminescent host? Case study on doping and annealing effects. Inorg. Chem. 52: 807–815. doi:10.1021/ic3019315
  11. Roming M and Feldmann C, 2009. Synthesis and characterization of nanoscaled BiPO4 and BiPO4:Tb. J. Mater. Sci. 44: 1412–1415. doi:10.1007/s10853-009-3258-5
  12. Nedilko S, Hizhnyi Yu, Chornii V, Zatovsky I, Slobodyanik N, Terebilenko K, Boyko V, Vorona I and Sheludko V, 2013. Possibility of application of ZrP2O7 and KZr2(PO4)3 intrinsic lumi-nescence for monitoring of irradiation. Sensor Lett. 11: 1937–1944. doi:10.1166/sl.2013.2756
  13. Hizhnyi Yu, Chornii V, Nedilko S, Slobodyanik M, Zatovsky I, Terebilenko K and Boyko V, 2013. Luminescence spectroscopy and electronic structure of ZrP2O7 and KZr2(PO4)3 crystals. Radiation Meas. 56: 397–401. doi:10.1016/j.radmeas.2013.01.068
  14. Chornii V, Hizhnyi Yu, Nedilko S, Terebilenko K, Zatovsky I, Ogorodnyk I and Boyko V, 2015. Synthesis, crystal structure, luminescence and electronic band structure of K2BiZr(PO4)3 phosphate compound. Solid State Phenom. 230: 55–61. doi:10.4028/www.scientific.net/SSP.230.55
  15. Hizhnyi Yu, Nedilko S, Chornii V, Slobodyanik M, Zatovsky I and Terebilenko K, 2014. Electronic structures and origin of intrinsic luminescence in Bi-containing oxide crystals BiPO4, K3Bi5(PO4)6, K2Bi(PO4)(MoO4), K2Bi(PO4)(WO4) and K5Bi(MoO4)4. J. Alloy Compd. 614: 420–435. doi:10.1016/j.jallcom.2014.06.111
  16. Zimmerer G, 2007. SUPERLUMI: A unique setup for luminescence spectroscopy with synchrotron radiation. Radiation Meas. 42: 859–864. doi:10.1016/j.radmeas.2007.02.050
  17. Blaha P, Schwarz K, Madsen G, Kvasnicka D and Luitz J, WIEN2k: An augmented plane wave plus local orbitals program for calculating crystal properties. Wien: TU (2001).
  18. Huang C, Knop O, Othen D and Woodhams F, 1975. Pyrophosphates of tetravalent elements and Mossbauer study of SnP2O7. Can. J. Chem. 53: 79–82. doi:10.1139/v75-011
  19. Sljukic M, Matkovic B, Prodic B and Anderson D, 1969. The crystal structure of KZr2(PO4)3. Z. Kristallogr. 130: 148–161. doi:10.1524/zkri.1969.130.1-6.148
  20. Masse R and Durif A, 1985. Elude structurale de la forme haute température du monophos-phate du bismuth BiPO4. C. R. Seances Acad. Sci. 300: 849–851.
(c) Ukrainian Journal of Physical Optics