Ukrainian Journal of Physical Optics


2025 Volume 26, Issue 4


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

HEAT TREATMENT EFFECT ON OPTICAL ABSORPTION AND PHOTOLUMINESCENCE IN Na0.5Bi0.5TiO3 CRYSTALS

Т. V. Panchenko, V. M. Sidak, M. P. Trubitsyn, V. Laguta, O. V. Khmelenko and T. V. Kruzina

Author Information
1,*Т. V. Panchenko SCOPUS logo, 1V. M. Sidak ORCID logo SCOPUS logo, 1,2M. P. Trubitsyn ORCID logo SCOPUS logo, 2,3V. Laguta ORCID logo SCOPUS logo, 1O. V. Khmelenko ORCID logo SCOPUS logo, 1T. V. Kruzina ORCID logo SCOPUS logo
1Research Institute for Energy Efficient Technologies and Materials Sciences, Oles Honchar Dnipro National University, Science Avenue 72, Dnipro, 49010, Ukraine
2Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences, Na Slovance 1999/2, 182 00 Prague 8, Czech Republic
3Frantsevich Institute for Problems of Materials Science, NAS Ukraine, Omelyan Pritsak str. 3, Kyiv, 03142, Ukraine
*Corresponding author: panchtv141@gmail.com

ABSTRACT

Optical absorption and photoluminescence spectra of as-grown and heat-treated sodium-bismuth titanate Na0.5Bi0.5TiO3 single crystals are studied. The heat treatment was performed in air and vacuum at Tann = 1070 K. Optical absorption and photoluminescence were measured in the spectral range of 1.5 to 3.3 eV. It is found that treatment in air decreases optical absorption, while subsequent treatment in vacuum increases it. Excitation of the as-grown crystal near the edge of the fundamental optical absorption (~2.95 eV) induces intense violet (~2.83 eV) and weak green (~2.25 eV) photoluminescence. Both heat treatment in air and vacuum reduce the intensity of the violet and green photoluminescence bands. The effects of heat treatment on optical absorption and photoluminescence are attributed to electronic transitions in Ti3+ centers, which compensate for the excess charge of oxygen vacancies and are located within trigonally and tetragonally distorted oxygen octahedra

Keywords: optical absorption, photoluminescence, heat treatment, oxygen vacancy, Na0.5Bi0.5TiO3 crystal

UDC: 535.3, 548.4

    1. Dresselhaus, M., Dresselhaus, G., Cronin, S. B., Gomes Souza Filho, A. (2018). Absorption of Light in Solids. In: Solid State Properties. Graduate Texts in Physics. Springer, Berlin, Heidelberg.
      doi:10.1007/978-3-662-55922-2
    2. Zak, P. P., Lapina, V. A., Pavich, T. A., Trofimov, A. V., Trofimova, N. N., & Tsaplev, Y. B. (2017). Luminescent materials for modern light sources. Russian Chemical Reviews, 86(9), 831.
      doi:10.1070/RCR4735
    3. Luminescent Materials. Fundamentals and Applications. Edited by Mikhail G. Brik, Alok M. Srivastava, (2023). p. 302. Published by De Gruyter. Walter de Gruyter GmbH, Berlin/Boston.
    4. Nag Bhargavi, G., & Khare, A. (2015). Luminescence studies of perovskite structured titanates: a review. Optics and Spectroscopy, 118, 902-917.
      doi:10.1134/S0030400X15060156
    5. Milanez, J., de Figueiredo, A. T., de Lazaro, S., Longo, V. M., Erlo, R., Mastelaro, V. R., Franco, R. W. A., Varela, E. L., & Varela, J. A. (2009). The role of oxygen vacancy in the photoluminescence property at room temperature of the CaTiO3. Journal of Applied Physics, 106(4).
      doi:10.1063/1.3190524
    6. Smolenskii, G. A., Isupov, V. A., Agranovskaya, A. I., & Popov, S. N. (1961). Ferroelectrics with diffuse phase transitions. Soviet Physics-solid state, 2(11), 2584-2594.
    7. Shvartsman, V. V., & Lupascu, D. C. (2012). Lead‐free relaxor ferroelectrics. Journal of the American Ceramic Society, 95(1), 1-26.
      doi:10.1111/j.1551-2916.2011.04952.x
    8. Priya, S., Nahm S. (Eds.). (2012) Lead-Free Piezoelectrics, chapher Sodium Bismute Titanate-Based Ceramics, pp. 255-290 Springer New York, New York, NY.
      doi:10.1007/978-1-4419-9598-8_8
    9. Groeting, M., Hayn, S., & Albe, K. (2011). Chemical order and local structure of the lead-free relaxor ferroelectric Na1/2Bi1/2TiO3. Journal of Solid State Chemistry, 184(8), 2041-2046.
      doi:10.1016/j.jssc.2011.05.044
    10. He, C., Zhang, Y., Sun, L., Wang, J., Wu, T., Xu, F., Du, Ch., Zhu, K. & Liu, Y. (2013). Electrical and optical properties of Nd3+-doped Na0.5Bi0.5TiO3 ferroelectric single crystal. Journal of Physics D: Applied Physics, 46(24), 245104.
      doi:10.1088/0022-3727/46/24/245104
    11. Jones, G. O., & Thomas, P. A. (2002). Investigation of the structure and phase transitions in the novel A-site substituted distorted perovskite compound Na0. 5Bi0.5TiO3. Structural Science, 58(2), 168-178.
      doi:10.1107/S0108768101020845
    12. Dorcet, V., Trolliard, G., & Boullay, P. (2008). Reinvestigation of phase transitions in Na0.5Bi0.5TiO3 by TEM. Part I: First order rhombohedral to orthorhombic phase transition. Chemistry of Materials, 20(15), 5061-5073.
      doi:10.1021/cm8004634
    13. Trolliard, G., & Dorcet, V. (2008). Reinvestigation of phase transitions in Na0.5Bi0.5TiO3 by TEM. Part II: Second order orthorhombic to tetragonal phase transition. Chemistry of materials, 20(15), 5074-5082.
      doi:10.1021/cm800464d
    14. Gomah-Pettry, J. R., Saı̈d, S., Marchet, P., & Mercurio, J. P. (2004). Sodium-bismuth titanate based lead-free ferroelectric materials. Journal of the European Ceramic Society, 24(6), 1165-1169.
      doi:10.1016/S0955-2219(03)00473-4
    15. Levanyuk, A. P., Sigov, A. S. (1988) Defects and structural phase transitions. N.Y., London, Paris: Gordon& Breach Science Publishers.
    16. Sidak, V. M., & Trubitsyn, M. P. (2021). Dielectric relaxation and the dipole defects in Na0.5Bi0.5TiO3 single crystal. Applied Nanoscience, 775-780.
      doi:10.1007/s13204-021-01712-y
    17. Kruzina, T. V., Sidak, V. M., Trubitsyn, M. P., Popov, S. A., & Suchanicz, J. (2014). Thermal treatment and dielectric properties of Na0.5Bi0.5TiO3 single crystal. Ferroelectrics, 462(1), 140-144.
      doi:10.1080/00150193.2014.891411
    18. Kruzina, T., Sidak, V., Trubitsyn, M., Popov, S., Tuluk, A., & Suchanicz, J. (2018). Impedance Spectra of As-Grown and Heat Treated Na0.5Bi0.5TiO3 Crystals. Acta Physica Polonica A, 133(4), 816-818.
      doi:10.12693/APhysPolA.133.816
    19. He, C., Yi, X., Wu, T., Wang, J., Zhu, K., & Liu, Y. (2014). Wavelength dependence of refractive index in lead-free Na0.5Bi0.5TiO3-BaTiO3 single crystals. Optical Materials, 36(12), 2023-2025.
      doi:10.1016/j.optmat.2013.12.037
    20. Takenaka, T., & Nagata, H. (2012). Sodium bismuth titanate-based ceramics. Lead-free piezoelectrics, 255-290.
      doi:10.1007/978-1-4419-9598-8_8
    21. Scharfschwerdt, R., Mazur, A., Schirmer, O. F., Hesse, H., & Mendricks, S. (1996). Oxygen vacancies in BaTiO3. Physical Review B, 54(21), 15284.
      doi:10.1103/PhysRevB.54.15284
    22. Lenjer, S., Schirmer, O. F., Hesse, H., & Kool, T. W. (2002). Conduction states in oxide perovskites: Three manifestations of Ti3+ Jahn-Teller polarons in barium titanate. Physical Review B, 66(16), 165106.
      doi:10.1103/PhysRevB.66.165106
    23. Henderson, B., & Imbusch, G. F. (2006). Optical spectroscopy of inorganic solids (Vol. 44). Oxford University Press.
      doi:10.1093/oso/9780199298624.001.0001
    24. Laguta, V. V., Glinchuk, M. D., Kuzian, R. O., Nokhrin, S. N., Bykov, I. P., Rosa, J., Jastrab'ık, L., & Karkut, M. G. (2002). The photoinduced Ti3+ centre in SrTiO3. Journal of Physics: Condensed Matter, 14(50), 13813.
      doi:10.1088/0953-8984/14/50/308
    25. Bersuker, I. B. (1986), Electronic structure and properties of coordination compounds: Introduction to the theory. Khimiya, Leningrad, 288 p.
    26. Tyunina, M., Peräntie, J., Kocourek, T., Saukko, S., Jantunen, H., Jelinek, M., & Dejneka, A. (2020). Oxygen vacancy dipoles in strained epitaxial BaTiO3 films. Physical Review Research, 2(2), 023056.
      doi:10.1103/PhysRevResearch.2.023056
    27. Schmetzer, K., Bank, H. (1980) Explanation of absorption spectra of natural and synthetic Fe- and Ti- containing corundums. Neues Jahrbuch für Mineralogie - Abhandlungen, 130 (2), 216-225.
    28. Jagło, G., Kluczewska-Chmielarz, K., Suchanicz, J., Kruk, A., Kania, A., Sitko, D., Nowakowska-Malczyk, M., Łapiński, M., & Stachowski, G. (2025). New insights into structural, optical, electrical and thermoelectric behavior of Na0.5Bi0.5TiO3 single crystals. Scientific Reports, 15(1), 2733.
      doi:10.1038/s41598-025-86625-4
    29. Sidak, V. M., Trubitsyn, M. P., Panchenko, T. V. (2022) Dielectric relaxation induced by oxygen vacancies in Na0.5Bi0.5TiO3 ceramics. Condensed Matter Physics. 25(4), 43705:1-10.
      doi:10.5488/CMP.25.43705
    30. Sidak, V. M., & Trubitsyn, M. P. (2022, August). Dielectric Anomaly and Space Charge Polarization in Single Crystals of Na0. 5Bi0. 5TiO3 and Na0.5Bi0.5TiO3-BaTiO3. In International Conference on Nanotechnology and Nanomaterials (pp. 365-382). Cham: Springer Nature Switzerland.
      doi:10.1007/978-3-031-42704-6_26
    31. Back, M., Ueda, J., Xu, J., Asami, K., Amidani, L., Trave, E., & Tanabe, S. (2019). Uncovering the origin of the emitting states in Bi3+-activated CaMO3 (M= Zr, Sn, Ti) perovskites: Metal-to-metal charge transfer versus s-p transitions. The Journal of Physical Chemistry C, 123(23), 14677-14688.
      doi:10.1021/acs.jpcc.9b03940
    32. Srivastava, A. M. (2016). Luminescence of Bi3+ in the orthorhombic perovskites CaB4+O3 (B4+= Zr, Sn): crossover from localized to D-state emission. Optical Materials, 58, 89-92.
      doi:10.1016/j.optmat.2016.03.045
    33. Van Steensel, L. I., Bokhove, S. G., Van de Craats, A. M., De Blank, J., & Blasse, G. (1995). The luminescence of Bi3+ in LaInO3 and some other perovskites. Materials Research Bulletin, 30(11), 1359-1362.
      doi:10.1016/0025-5408(95)00129-8

    Досліджено спектри оптичного поглинання та фотолюмінесценції у вирощених і термічно оброблених монокристалах натрій-вісмутового титанату Na0.5Bi0.5TiO3. Термічний відпал проводився у повітрі та у вакуумі при температурі відпалу Tann = 1070 K. Оптичне поглинання та фотолюмінесценцію вимірювали в спектральному діапазоні 1,5–3,3 еВ. Встановлено, що відпал у повітрі зменшує оптичне поглинання, тоді як подальший відпал у вакуумі – збільшує його. Збудження термічно необробленого вирощеного кристалу поблизу межі фундаментального оптичного поглинання (~2,95 еВ) викликає інтенсивну фіолетову (~2,83 еВ) та слабку зелену (~2,25 еВ) фотолюмінесценцію. Відпал як у повітрі, так і у вакуумі зменшує інтенсивність як фіолетової, так і зеленої фотолюмінесценції. Вплив відпалу на оптичне поглинання та фотолюмінесценцію пов’язаний з електронними переходами у центрах Ti³⁺, які компенсують надлишковий заряд кисневих вакансій і розташовані в тригонально та тетрагонально спотворених кисневих октаедрах.

    Ключові слова: оптичне поглинання, фотолюмінесценція, відпал, вакансії кисню, кристал Na0.5Bi0.5TiO3

Free download this article 

This work is licensed under CC BY 4.0