Ukrainian Journal of Physical Optics


2023 Volume 24, Issue 4


ISSN 1816-2002 (Online), ISSN 1609-1833 (Print)

Spectral and kinetic luminescence characteristics of emulsion microcrystals AgBr(I) with adsorbed organic dye

1Tyurin A.V., 1Zhukov S.A., 1,*Bekshaev A.Y. and 2Ternovsky V.B.

1Physics Research Institute, Odesa I.I.Mechnikov National University, 2 Dvorianska Street, 65082 Odesa, Ukraine
2National University "Odesa Maritime Academy" 8 Didrikhsona Street, 65023 Odesa, Ukraine
* Corresponding author: zhukov@onu.edu.ua

ABSTRACT

To reveal the structure of tunnel-luminescence centres in AgBr(I) emulsion microcrystals (EMCs), we perform spectro-sensitometric and kinetic studies of their low-temperature (T = 77 K) luminescence. The luminescence characteristics depending on the binder, the presence and the nature of sensitizing additions (dyes) and the oxygen treatment are studied quantitatively. Special attention is paid to the comparative studies of the Stokes and dye-induced anti-Stokes luminescence components in the AgBr(I) EMCs. When the dye-sensitized AgBr(I) EMCs distributed in the polyvinyl alcohol are excited by the light photons with the energies corresponding to the intrinsic absorption region of the EMCs (λmax ≈ 460 nm), the kinetics of the luminescence band centred at the wavelength λmax ≈ 560 nm is monotonic. On the contrary, upon excitation by the photons corresponding to the absorption region of a J-aggregated dye (λmax ≈ 680 nm), the kinetics of the anti-Stokes glow (λmax ≈ 560 nm) is characterized by a rapid ‘flash’ followed by a gradual decrease to a stationary level (a ‘flash enhancement’). These results indicate that a non-equilibrium transfer of charge carriers from the dye, which is adsorbed on the EMC surface, to the EMC volume depends essentially on the binder. If gelatine is the binder, this process is significantly affected by the oxygen adsorption, whereas the resulting effect depends on the aggregate form of the adsorbed dye. Understanding of physicochemical processes that govern the luminescence centres should enable one to control the structural transformations of the donor–acceptor complexes and clusters, which are responsible for the unique photometric properties of AgBr(I), and optimize their parameters for various applications in optoelectronics, holography, photographic materials science, optical sensors and solar energy systems.

Keywords: AgBr(I) microcrystals, low-temperature luminescence, emulsion binders, tunnel-recombination centres, dye sensitization, oxygen treatment, luminescence kinetics

UDC: 535.37

    1. Ovsyankin V V and Feofilov P P, 1967. Cooperative sensibilization of luminescence in silver halide salts and spectral sensibilization of photographic emulsions. Soviet Phys.: Doklady. 12: 573-576.
    2. Akimov I A and Shablya A V, 1968. On the multiphoton mechanism of spectral sensitization. J. Sci. Appl. Photogr. Cine. 13: 364-365
    3. Itskovich L N and Meiklyar P V, 1969. Sensitized luminescence of the photographic layers. J. Sci. Appl. Photogr. Cine. 14: 132-135.
    4. Penner T L and Gilman P B, 1975. Influence of dye energy levels on the spectrally sensitized luminescence from silver bromiodide. Photogr. Sci. Eng. 19: 102-114.
    5. Tolstobrov V I, Zhukov S A and Belous V M, 1984. Investigation of the dye-sensitized anti-Stokes luminescence of silver-halide "core-shell" microcrystals. J. Sci. Appl. Photogr. Cine. 29: 374-376.
    6. Tolstobrov V I and Belous V M, 1985. Luminescent investigations of the silver-halides co-crystallization process. J. Sci. Appl. Photogr. Cine. 30: 95-99.
    7. Gilman Р В, 1967. The luminescent properties of 1,1'-diethyl-2,2'-cyanine alone and adsorbed. Photogr. Sci. Eng. 11: 222-232.
    8. Gilman P B, 1968. Effects of aggregation, temperature and supersensitization on the luminescence of 1,1'-diethyl-2,2'-ceanine adsorbed to silver chloride. Photogr. Sci. Eng. 12: 230-273.
    9. Tyurin A V and Zhukov S A, 2018. The structure of radiative tunnel recombination sites in emulsion microcrystals of AgBr(I). Opt. Spectrosc. 124: 174-179. doi:10.1134/S0030400X18020182
    10. Tyrin A V, Zhukov S A, Bekshaev A Y and Ternovsky V B, 2023. Structure and transformations of tunnel-luminescence centers in emulsion microcrystals AgBr(I). Ukr. J. Phys. Opt. 24: 173-184. doi:10.3116/16091833/24/3/173/2023
    11. Shapiro B I, 1981. Redox reactions in the processes of spectral sensitization. J. Sci. Appl. Photogr. Cine. 26: 208-230.
    12. Shapiro B I, 2000. Theoretical Foundations of the Photographic Process. Moscow: Editorial URSS, 2000.
    13. Belous V M, Zhukov S A and Orlovskaya N A, 1982. Luminescence investigations of the surface charge of emulsion microcrystals. J. Sci. Appl. Photogr. Cine. 27: 218-220.
    14. Belous V M, Akhmerov A Y, Zhukov S A and Orlovskaya N A, 2001. Influence of the products of photochemical destruction of silver halides on the kinetics of their luminescence: mechanism of the "luminescence fatigue". J. Sci. Appl. Photogr. Cine. 46: 19-25.
    15. Tyurin A V, Zhukov S A and Akhmerov A Yu, 2020. Influence of binder and dyes on the mechanism of tunnel luminescence of AgBr(I) microcrystals. Opt. Spectrosc. 128: 1110-1117. doi:10.1134/S0030400X2008038X
    16. Mees C E K and James T H. The Theory of the Photographic Process. New York: Macmillan, 1967.
    17. James T H. The Theory of the Photographic Process. New York: Macmillan, 1977.
    18. Chibisov K V. Photographic Development. Moscow: Nauka, 1989.
    19. Gorokhovsky Y N. Spectral Investigations of the Photographic Process. Moscow: Fizmatgiz, 1960.
    20. Zhukov S A. Photoinduced physicochemical processes and their sensitization in the "core - silver-halide shell" microsystems. Dr. Sci. Thesis. Odesa: Odesa National University, 2018.
    21. Dorokhova E N and Prokhorova G V. Problems and Questions on Analytical Chemistry. Moscow: Mir, 2001.
    22. Tyurin A V, Churashov V P, Zhukov S A, Levitskaya T F and Sviridova O I, 2008. Interaction of molecular and polymolecular forms of a dye. Opt. Spectrosc. 104: 88-94. doi:10.1134/S0030400X08010128
    23. Belous V M, 1997. Review of luminescence studies of latent image formation in silver halide emulsions. J. Imag. Sci. Technol. 41: 85-98. doi:10.2352/J.ImagingSci.Technol.1997.41.2.art00002
    24. Tyurin A V, Churashov V P, Zhukov S A and Pavlova O V, 2008. A mechanism of the anti-Stokes luminescence of a dye-sensitized silver halide emulsion. Opt. Spectrosc. 104: 203-209. doi:10.1134/S0030400X08020094
    25. Tyurin A V, Bekshaev A Ya and Zhukov S A, 2020. Electron-hole processes determining the self-desensitization of dyes on the surface of AgHal microcrystals. Proc. SPIE 11369: 113690L. doi:10.1117/12.2556080
    26. Tyurin A V, Zhukov S A and Bekshaev A Ya, 2017. Investigation of the "self-desensitization" processes in anionic dye by means of the luminescence method. Journal of V. N. Karazin Kharkiv National University, Series "Physics". 27: 20-25.
    27. Kirillov N I. Fundamentals of Processing Film and Photo Materials. Moscow: Iskusstvo, 1977.
    28. Denisova N V, Belous V M, Denisov I G and Deminov R G, 1989. A mechanism of the "luminescence fatigue" effect of silver bromiodide photographic emulsions. J. Sci. Appl. Photogr. Cine. 34: 221-224.
    29. Tyurin A V, Zhukov S A and Rimashevsky A A, 2016. The effect of oxygen on sensitization of AgBrI crystals with anionic dye. Opt. Spectrosc. 121: 592-598. doi:10.1134/S0030400X16100258
    30. Babcock T A, Ferguson P M, Lewis W C and James T H, 1975. A novel form of chemical sensitization using hydrogen gas. Phot. Sci. Eng. 19: 49-55.

    Для виявлення структури центрів тунельної люмінесценції в емульсійних мікрокристалах (ЕМК) AgBr(I) проведено спектросенсито¬метричні та кінетичні дослідження їхньої низькотемпературної (T = 77 К) люмінесценції. Кількісно досліджено характеристики люмінесценції залежно від зв’язуючої речовини, від наявності та природи сенсибілізуючих добавок (барвників) та від обробки киснем. Особливу увагу надано порівняльним дослідженням стоксівської та індукованої барвником антистоксівської компонент люмінесценції в ЕМК AgBr(I). Коли сенсибілізовані барвником AgBr(I) і розподілені в полівініловому спирті ЕМК збуджуються фотонами світла з енергіями, що відповідають області власного поглинання ЕМК, кінетика смуги люмінесценції з центром на довжині хвилі λmax ≈ 560 нм є монотонною. Навпаки, при збудженні фотонами, що відповідають області поглинання J-агрегованого барвника (λmax ≈ 680 нм), кінетика антисток¬сового світіння (λmax ≈ 560 нм) характеризується швидким «спалахом» з наступним поступовим зниженням до стаціонарного рівня («втома люмінесценції»). Ці результати вказують на те, що нерівноважний перенос носіїв заряду від барвника, який адсорбується на поверхні ЕМК, до об’єму ЕМК, істотно залежить від зв’язуючої речовини. Якщо нею є желатин, на цей процес суттєво впливає адсорбція кисню, тоді як результуючий ефект залежить від агрегатної форми адсорбованого барвника. Розуміння фізико-хімічних процесів, які керують центрами люмінесценції, має дозволити керувати структурними перетвореннями донорно-акцепторних комплексів і кластерів, що відповідають за унікальні фотометричні властивості AgBr(I), а також оптимізувати їхні параметри для різних застосувань в оптоелектроніці, голографії та фотоматеріалознавстві, оптичних датчиках і системах сонячної енергетики

    Ключові слова: мікрокристали AgBr(I), низькотемпературна люмінесценція, зв’язуючі речовини, центри тунельної рекомбінації, сенсибілізація барвниками, обробка киснем, кінетика люмінесценції

Free download this article 

© Ukrainian Journal of Physical Optics ©