Yb3+, Er3+ 이온이 co-doping된 up-conversion 형광체 SrMoO4의 합성 및 분석

Abstract

최근 태양전지, 바이오 라벨링, 디스플레이 기술의 차세대 루미네센스, up-conversion laser 및 광학 증폭기등과 같이 다양한 분야에서 희토류가 도핑된 up-conversion 형광체가 큰 주목을 받고 있다. 수많은 희토류이온들이 up-conversion 물질에서의 루미네센스 center로써 연구 되었는데, 이중에서도 up-conversion 형광을 발산하기 위한 다양한 에너지 준위를 가지고 있으면서도, 다른 희토류이온들에 비하여 높은 발광 quenching concentration을 가지고 있는 Er3+이온이 도핑 된 up- conversion 형광체가 가장 널리 이용되고 있다. 그러나 Er3+이온의 ground state absorption (GSA)은 980 nm의 빛이 조사 되었을 때 4I11/2 레벨에서 아주 낮은 흡수 단면을 가지고 있는데, 이로 인하여 Er3+ 이온이 single-doping된 up-conversion 형광물질은 상대적으로 낮은 up- conversion 방출량과 pump 효율을 가지고 있다. 이러한 문제점을 극복하고 up-conversion 방출 효율을 증대시키기 위하여, Yb3+이온을 co-dopant 이온으로 사용하였다. Yb3+이온의 경우 980 nm근방에서의 큰 흡수 단면을 가지고 있으며, resonant energy state (Er3+:4I11/2, Yb3+:2F5/2)를 가지고 있는 활성제 (activator)이온으로의 에너지 전이 효율이 높기 때문에 Er3+와 Yb3+를 함께 도핑한 up-conversion 형광체가 활발히 연구되어지고 있다. up-conversion 형광 효율을 높이기 위해서는 모체의 선택 역시 매우 중요하다. 그 이유는 multiphonon relaxation에 의한 비방사 전이를 줄이기 위해 모체가 낮은 phonon 에너지를 가지고 있어야 하는데, 이는 비방사 전이 대신 energy transfer up-conversion 이나 cross relaxation process를 촉진 시킨다. 현재, 연구되어지고 있는 up-conversion 형광체의 모체로써는 halides, glasses, chalcogenide등이 있다. 하지만, 위 물질들은 화학 및 기계적 안정성이 낮고, 대기중에서 쉽게 산화되거나, HF나 HCl과 같은 인체에 유해한 물질들이 부수적으로 생성되는 등의 많은 단점을 내포하고 있어 산업적인 응용에 많은 제약이 수반되고 있다. 이에반해, 금속산화물의 경우 up-conversion 물질의 모체로써 화학적, 기계적, 열적으로 안정하다. SrMoO4는 금속 산화물로써 광학적으로 매우 중요한 물질중 하나이다. strontium molybdate는 Mo 원자가 산소 리간드와 함께 tetrahedral coordination을 이루고, 2가의 금속 원자가 polyhedral coordination을 이루고 있는 scheelite 구조를 띄고 있다. 이중 SrMoO4내에 존재하는 Mo6+이온과 O2-이온은 MoO42-를 형성하여 화학적 안정성과 UC 모체로써의 장점을 갖게 된다. 이에 따라, SrMoO4는 up-conversion 형광 모체로써 적합한 물질이이라고 판단되나, 희토류 이온이 도핑된 up-conversion 형광 모체로써 연구된 바가 없다. 본 논문은 complex citrate-gel에 microwave assistant method를 이용하여 성공적으로 합성된 SrMoO4에 다양한 농도의 Er3+와 Yb3+이온을 도핑하여 이에 따른 up-conversion 형광특성을 확인하였다. 980 nm의 빛을 흡수하였을 때의 구조 및 형광 특성에 대하여 평가하였고, 여기에 Er3+와 Yb3+농도에 따른 up-conversion 방출 세기 및 그 매커니즘에 대해서도 상세히 논하였다.