Ukrainian Journal of Physical Optics


2026 Volume 27, Issue 1


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

PHOTOCHROMISM OF DOPED Bi12SiO20 CRYSTALS

Т. V. Panchenko, M. P. Trubitsyn and V. Laguta


ABSTRACT

In the spectral range of 0.5–3.5 eV, both stationary and photoinduced optical absorption, as well as stationary and photoinduced photoconductivity, were studied in Bi12SiO20 single crystals doped with non-transition metal ions (Al, Ga, Sn) and transition metal ions (Fe, Cr, Cu, Mn, V, Ag, Mo). It was found that transition metal ions create deep localized centers. In this case, the photochromic effect is controlled by intracenter transitions in those ions whose concentration rises due to photochemical reactions. In crystals doped with non-transition metal ions, the photochromic effect is driven by the redistribution of charge carriers among local levels within the band gap, whose structure is altered by the dopants. In both cases, photoinduced photoconductivity mainly depends on changes in the distribution of carrier recombination currents between fast and slow recombination centers. The possible correlation between the photochromic effect and photoinduced photoconductivity is discussed.

Keywords: Bi12SiO20 doped crystals, absorption spectra, photochromic effect, induced photoconductivity

UDC: 535.33

    1. Günter, P., Huignard, J.-P. Photorefractive Materials and Their Applications: Part 1 (2006). Springer: New York.
      doi:10.1007/b106782
    2. Günter, P., Huignard, J. Photorefractive Materials and Their Applications: Parts 2 & 3 (2007). Springer: New York.
      doi:10.1007/978-0-387-34728-8
    3. Mallick, S., Miteva, M., & Nikolova, L. (1997). Polarization properties of self-diffraction in sillenite crystals: reflection volume gratings. Journal of the Optical Society of America B, 14(5), 1179-1186.
      doi:10.1364/JOSAB.14.001179
    4. Gesualdi, M. R. D. R., Barbosa, E. A., & Muramatsu, M. (2006). Advances in phase-stepping real-time holography using photorefractive sillenite crystals. Journal of Optoelectronics and Advanced Materials, 8(4), 1574.
    5. Montemezzani, G., & Zgonik, M. (1997). Light diffraction at mixed phase and absorption gratings in anisotropic media for arbitrary geometries. Physical Review E, 55(1), 1035.
      doi:10.1103/PhysRevE.55.1035
    6. Khromov, A. L., Kamshilin, A. A., & Petrov, M. P. (1990). Photochromic and photorefractive gratings induced by pulsed excitation in BSO crystals. Optics Communications, 77(2-3), 139-143.
      doi:10.1016/0030-4018(90)90423-Q
    7. Lima, A. F. D., Farias, S. A. D. S., & Lalic, M. V. (2011). Structural, electronic, optical, and magneto-optical properties of Bi12MO20 (M= Ti, Ge, Si) sillenite crystals from first principles calculations. Journal of Applied Physics, 110(8).
      doi:10.1063/1.3652751
    8. Panchenko, T. V., & Kopylova, S. Y. (2005). Photochromic properties of the doped Bi12SiO20 crystals. Ferroelectrics, 322(1), 69-74.
      doi:10.1080/00150190500315251
    9. Briat, B., Reyhers, H. J., Hamri, A., Romanov, N. G., Launay, J. C., & Ramaz, F. (1995). Magnetic circular dichroism and the optical detection of magnetic resonance for the Bi antisite defect in Bi12GeO20. Journal of Physics: Condensed Matter, 7(34), 6951.
      doi:10.1088/0953-8984/7/34/017
    10. Panchenko, T.V., Dyachenko, A.A. (2015). Excitation and erasure of photochromic effect in Bi12SiO20 crystals doped with Al, Ga and Sn. Ukrainian Journal of Physical Optics, 16, 127-133.
      doi:10.3116/16091833/16/3/127/2015
    11. Marinova, V., Veleva, M., Petrova, D., Kourmoulis, I. M., Papazoglou, D. G., Apostolidis, A. G., Vanidhis, E. D. & Deliolanis, N. C. (2001). Optical properties of Bi12SiO20 single crystals doped with 4d and 5d transition elements. Journal of Applied Physics, 89(5), 2686-2689.
      doi:10.1063/1.1344918
    12. Nechitailov, A., Krasinkova, M., Mokrushina, E., Petrov, A., Kartenko, N., Prokofiev, V. (2000). Impurity defects in Cr-doped Bi12SiO20 and Bi12TiO20. Inorg. Mater. 36, 820-825.
      doi:10.1007/BF02758604
    13. Żmija, J., & Małachowski, M. (2008). Photochromic effects in sillenite single crystals. Archives of Materials Science and Engineering, 33(2), 101-106.
    14. Petkova, P., Vasilev, P., Mustafa, M., & Parushev, I. (2015). Vanadium States in Doped Bi12SiO20. Materials Science, 21(2), 167-172.
      doi:10.5755/j01.ms.21.2.6140
    15. Ramaz, F., Rakitina, L., Gospodinov, M., & Briat, B. (2005). Photorefractive and photochromic properties of ruthenium-doped Bi12SiO20. Optical Materials, 27(10), 1547-1559.
      doi:10.1016/j.optmat.2004.11.007
    16. Egorisheva, A., Burkov, V., Kargin, Yu., Vasiliev, A., Volkov, V., Skorikov, V. (2001). Spectroscopic characteristics of Bi12SiO20 and Bi12TiO20 crystals doped with Mn, Mn/P, Cr/P, Cr/Ga and Cr/Cu. Inorg. Mater. 37, 965-973.
      doi:10.1023/A:1017991500219
    17. Panchenko, T. V., & Strelets, K. Y. (2008). Photochromism in Cu-and Ag-doped Bi12SiO20 crystals. Physics of the Solid State, 50(10), 1900-1907.
      doi:10.1134/S1063783408100193
    18. Panchenko, T.V., Strelets, K.Yu. (2009). Photochromic effect in Bi₁₂SiO₂₀ crystals doped with molybdenum. Physics of the Solid State, 51, 292-297.
      doi:10.1134/S1063783409020140
    19. Panchenko, T. V., Osetsky, Y. G., & Truseyeva, N. A. (1996). Photo-and electrochromic effects in Fe-and Cu-doped Bi12SiO20 crystals. In Ferroelectrics (pp. 61-70).
      doi:10.1080/00150199508216934
    20. Panchenko, T. V. (1998). Induced impurity photoconductivity in crystals of Si-and Ge-sillenites. Physics of the Solid State, 40(6), 938-940.
      doi:10.1134/1.1130452
    21. Grachev, A. I. (1999). Holographic recording in photorefractive crystals with nonstationary and nonlinear photoconductivity. Physics of the Solid State, 41(6), 922-927.
      doi:10.1134/1.1130905
    22. Kamshilin, A. A., Kobozev, O. V., Grachev, A. I., & Karavaev, P. M. (2002). Manifestation of long-lived photosensitivity gratings in two-wave mixing experiments with sillenite crystals. Journal of the Optical Society of America B, 19(2), 202-207.
      doi:10.1364/JOSAB.19.000202
    23. Siebenhofer, M., Viernstein, A., Morgenbesser, M., Fleig, J., & Kubicek, M. (2021). Photoinduced electronic and ionic effects in strontium titanate. Materials Advances, 2(23), 7583-7619.
      doi:10.1039/D1MA00906K
    24. Aldrich, R. E., Hou, S. L., & Harvill, M. L. (1971). Electrical and optical properties of Bi12SiO20. Journal of Applied Physics, 42(1), 493-494.
      doi:10.1063/1.1659638
    25. Briat, B., Panchenko, T. V., Rjeily, H. B., & Hamri, A. (1998). Optical and magneto-optical characterization of the Al acceptor levels in Bi12SiO20. Journal of the Optical Society of America B, 15(7), 2147-2153.
      doi:10.1364/JOSAB.15.002147
    26. Panchenko, T. V., Dyachenko, A. A., & Khmelenko, O. V. (2016). Photoluminescence of Bi12SiO20 crystals. Ukrainian Journal of Physical Optics, 17(1), 39-45.
      doi:10.3116/16091833/17/1/39/2016
    27. Panchenko, T. V., & Truseyeva, N. A. (1991). Optical absorption and photochromic effect in Cr and Mn doped Bi12SiO20 single crystals. Ferroelectrics, 115(1), 73-80.
      doi:10.1080/00150199108014480
    28. Panchenko, T. V., & Truseyeva, N. A. (1996, January). Photochromism of Bi12SiO20 crystals doped with transition-metal ions of Fe group. In Tenth Feofilov Symposium on Spectroscopy of Crystals Activated by Rare-Earth and Transitional-Metal Ions (Vol. 2706, pp. 83-92). SPIE.
      doi:10.1117/12.229130
    29. Tanabe, Y., & Sugano, S. (1954). On the absorption spectra of complex ions II. Journal of the Physical Society of Japan, 9(5), 766-779.
      doi:10.1143/JPSJ.9.766
    30. Grabmaier, B. C., & Oberschmid, R. (1986). Properties of Pure and Doped Bi12GeO20 and Bi12SiO20 Crystals. Physica Status Solidi (a), 96(1), 199-210.
      doi:10.1002/pssa.2210960124
    31. Lever, A. B.P. (1984). Inorganic Electronic Spectroscopy. Elsevier: Amsterdam.
    32. Solé, J., Bausa, L., & Jaque, D. (2005). An introduction to the optical spectroscopy of inorganic solids. John Wiley & Sons.
      doi:10.1002/0470016043
    33. Wardzyński, W., Baran, M., & Szymczak, H. (1981). Electron paramagnetic resonance of Fe3+ in bismuth germanium oxide single crystals. Physica B+ C, 111(1), 47-50.
      doi:10.1016/0378-4363(81)90163-7
    34. Panchenko T.V., Trubitsyn M. P. (2023). Thermally induced effects in the optical absorption of pure and doped Bi12SiO20 single crystals. Ukrainian Journal of Physical Optics, 24(4), 04001 - 04007.
      doi:10.3116/16091833/24/4/04001/2023
    35. Panchenko, T. V., Yanchuk, Z. Z. (1996). Photoelectric properties of crystals Bi₁₂SiO₂₀. Physics of the Solid State 38, 1113-1118.
    36. Panchenko, T. V., Yanchuk, Z. Z. (1996). Photoconductivity of doped Bi₁₂SiO₂₀ crystals. Physics of the Solid State 38, 3042-3046.

    У спектральному діапазоні 0,5–3,5 еV досліджено стаціонарне та фотоіндуковане оптичне поглинання, а також стаціонарну та фотоіндуковану фотопровідність у монокристалах Bi12SiO20, легованих іонами неперехідних Al, Ga, Sn) і перехідних металів (Fe, Cr, Cu, Mn, V, Ag, Mo). Показано, що іони перехідних металів створюють глибокі локалізовані центри. При цьому фотохромний ефект визначається внутрішньоцентровими переходами в тих іонах, концентрація яких збільшується внаслідок фотохімічних реакцій. У кристалах з іонами неперехідних металів фотохромний ефект залежить від розподілу носіїв заряду по локальних рівнях забороненої зони, структура яких змінена цими іонами. В обох випадках фотоіндукована фотопровідність визначається, в основному, зміною розподілу рекомбінаційних потоків носіїв заряду між центрами швидкої та повільної рекомбінації. Аналізується можливість взаємозв'язку між фотохромним ефектом і фотоіндукованою фотопровідністю.

    Ключові слова: леговані кристали Bi12SiO20, спектри поглинання, фотохромний ефект, індукована фотопровідність


This work is licensed under CC BY 4.0