На рис. 4.3 изображены спектры люминесценции и ее возбуждения Ce-Eu-содержащих кварцевого гель-стекла и ксерогеля с 2С(СеCl₃)=С(EuCl₃)=1 масс %. Видно, что при l_возб=395 нм узкополосный спектр люминесценции соактивированного стекла (кривая 1) отличается от соответствующего спектра рассмотренного выше одноактивированного стекла существенным ослаблением полос ⁵D₀®⁷F₁ и ⁵D₀®⁷F₄ и усилением расщепления полосы ⁵D₀®⁷F₂. Cмещении l_возб в коротковолновую сторону ведет к радикальному изменению этого спектра . В частности, при l_возб=320 нм (кривая 2) происходит многократное усиление полосы ⁵D₀ ® ⁷ F₁, сильное расщепление полосы ⁵D₀ ® ⁷ F₂ на две компоненты приблизительно одинаковой интегральной интенсивности,причем полоса ⁵D₀ ® ⁷ F₀ (l~580 нм) почти полностью отсутствует. Примечательно, что при Т=298 К относительная интенсивность полосы ⁵D₀ ® ⁷ F₁ уменьшается почти в два раза. При сканировании l_возб в области 300-380 нм общий вид узкополосного спектра сохраняется, но соотношение относительных интенсивностей переходов в ⁷F_j-cостояния и количество компонент расщепления полосы ⁵D₀ ® ⁷ F₂ изменяются. Заметим однако, что появляющиеся при изменении l_возб дополнительные компоненты имеют существенно меньшую интенсивность, чем основные. При l_возб<280 нм узкополосный спектр люминесценции уподобляется полученному при l_возб=395 нм. Спектр возбуждения люминесценции стекла при l_рег=615 нм (кривая 3) в общих чертах повторяет спектр, изображенный на рис. 2 кривой 5, а при l_рег=591 нм появляется интенсивная широкая полоса с максимумом при 320 нм (кривая 4). Узкополосный спектр люминесценции соактивированного ксерогеля при l_возб=320 нм и Т=298К слабо отличается от спектра люминесценции Eu-содержащего ксерогеля, однако при Т=77К (кривая 5) он начинает уподобляться кривой 2.

Спектры люминесценции Eu- и Ce-Eu-содержащих стекол, отожженных в водороде. Видно, что для одноактивированного стекла при l_возб=320 нм имеет место появление широких дополнительных перекрывающихся полос при 480 и 600 нм (кривая 1). При этом его узкополосный спектр подобен его же узкополосному спектру до отжига. Изменение l_возб в диапазоне 300-400 нм сопровождается перераспределением интенсивности и небольшим смещением широких полос, но практически не отражается на относительных интенсивностях и спектральном положении узких. В спектре соактивированного стекла при l_возб=320 нм узкополосная люминесценция ионов Eu³⁺ вообще не регистрируется, а наблюдается лишь широкая полоса при 470 нм (кривая 2).

Анализ показывает, что в соактивированном стекле, учитывая увеличение (по сравнению с одноактивированным стеклом) относительной интенсивности и расщепления “сверхчувствительного” перехода ⁵D₀ ® ⁷ F₂ (см. кривую 1), имеет место усиление искажения оптических центров европия и, кроме того, дополнительно появляется новый тип центров (см. кривую 2), эффективно возбуждаемых в широкой полосе при 320 нм (кривая 4). При этом значительное усиление электродипольных переходов ионов Eu³⁺ в дополнительных центрах с повышением Т в диапазоне (77-298) К свидетельствует о достаточно большом вкладе динамической части потенциала локального поля в их вероятности и, как следствие, о высокой симметрии таких центров. Исходя из числа наиболее интенсивных линий и большей разрешенности перехода ⁵D₀ ® ⁷ F₁ по сравнению с электродипольным переходом ⁵D₀ ® ⁷ F₂ (ср. кривые 2 и 3), можно полагать, что тип центров, возбуждаемый в широкой полосе с максимумом при 320 нм, характеризуется кубической симметрией.

Интенсивная широкая полоса с максимумом при 320 нм в спектре возбуждения люминесценции рассмотренных кубических центров ионов Eu³⁺ судя спектрам люминесценции термообработанных в водороде стекол, не может быть связана с передачей возбуждений от ионов Се³⁺. Действительно, для таких стекол узкополосная люминесценция с максимумом при 590 нм вообще отсутствует, а наблюдается лишь люминесценция Се(III) [122, 38] для соактивированного стекла либо люминесценция ионов Eu³⁺ с максимумом при 615 нм и широкополосная люминесценция Eu(II) [124] для одноактивированного стекла. Очевидно, что здесь, так же как в Се-Sm-содержащем стекле [118], имеет место образование сложных центров, в которых ионы Се⁴⁺ и соактиватора соединены мостиковым кислородом, а передача возбуждений последним осуществляется от метастабильных фотовосстановленных ионов (Се⁴⁺)^-, спектр поглощения которых близок к одноименному спектру стабильных Се³⁺ [122, 111]. Ионный радиус четырехзарядного церия составляет ~0,8 [108] и, в соответствии с геометрическим критерием [107], такие ионы могут образовывать церий-содержащие полиэдры с N_c=7 и, возможно, 6. В последнем случае, согласно следствию [106] из правила электростатической валентности Полинга, они могут выполнять роль буферных элементов, способствующих вхождению в кремний-кислородный каркас более высококоординированных ионов европия и, тем самым, образованию таких сложных центров. Поскольку их минимальная доля не может быть ниже квантового выхода сенсибилизации люминесценции ионов Eu³⁺ ионами (Се⁴⁺)^-, попытаемся оценить ее, используя формулу (4.1) и кривые 3 и 4 на рис. 5.1 и 5.3 соответственно. Для этого в указанной формуле параметры с индексами “ff” следует взять при l=530 нм, а с индексами “ct” - при 390 нм>l>320 нм. Несложный расчет показывает, что при 2С(СеCl₃)=С(EuCl₃)=1 масс %. искомая величина составляет ~3%.

Кроме того, анализируя рис.4.3, можно сделать вывод, что сложные Ce⁴⁺-Ln³⁺-центры существуют уже в термообработанных ксерогелях. Об этом свидетельствует появление сходства между узкополосными спектрами люминесценции охлажденных до 77К стекла и ксерогеля при l_возб=320 нм. Можно предположить, что их спектроскопическому проявлению в этой промежуточной матрице при Т=298К мешает отсутствие сенсибилизации люминесценции из-за больших, чем в стекле, межатомных расстояний. Сокращение межатомных расстояний, которое происходит как при снижении Т, так и при превращении ксерогеля в стекло, делает такую сенсибилизацию возможной и позволяет уверенно регистрировать эти центры.

В кварцевые гель-стекла, активированные методом пропитки и спеченные на воздухе, европий входит в виде ромбически искаженных оксокомплексов Eu(III) преимущественно гексагональной структуры с симметрией C_3h либо D_3h. Их структура практически не зависит от концентрации вводимой соли европия при изменении последней в интервале 0,3-3 mass % [129].

При соактивации Eu-содержащих стекол церием дополнительно формируются сложные Ce⁴⁺-Eu³⁺-центры, в которых Eu(III) характеризуются преимущественно кубической симметрией с координационным числом катиона 8 и эффективной сенсибилизацией люминесценции фотовосстановленными метастабильными ионами (Се⁴⁺) [129, 130]. Установлено, что подобные структурные образования существуют и в отожженных ксерогелях, однако спектроскопически они проявляются лишь при низкотемпературном сокращении межатомных расстояний.

Присутствие в соактивированном стекле ионов Се³⁺ усиливает степень искажения гексагональных Eu(III), однако к радикальному изменению их структуры и сенсибилизации люминесценции не приводит. Как в одноактивированных, так и в соактивированных стеклах имеет место сравнительно эффективное возбуждение люминесценции простых Eu-центров через полосу переноса заряда с лигандов на ионы Eu³⁺[130].

Заключение

Золь-гель технология открывает новые возможности синтеза стеклообразных оптических материалов с использованием жидкофазных химических методов, являющихся ресурсо и энергосберегающими. Разработанный вариант золь-гель процесса синтеза оптического кварцевого стекла обладает широкими возможностями варьирования химического состава и структуры стеклообразных материалов, а также техники введения активаторов в стекла и композиции. Физико-химические и структурные исследования кремнеземов при nереходах золь —> гель —> стеклообразное твердое тело и предложению на этой основе технологические схемы синтеза в значительной степени способствовали разрешению проблем, существующих в известных вариантахтах золь-гель процесса, а именно: исключение растрескивания геля разных структур в ходе созревания и термообработок, устранение эффектов вспенивания и кристаллизации стекла, получение крупноразмерных заготовок различных форм, в том числе заготовок оптических деталей, стержней, трубок.

Были изучены фазовые и структурные превращения коллоид кремнеземной системы в ходе синтеза геля и стеклования в условиях добавления в качестве наполнителей аэросилов, состоящих из наномерных частиц, при легировании кремнеземов ионами фтора, переходных и редкоземельных элементов путем импрегнирования ксерогелея также путем введения лигатур в жидкие золи.

Показано, что разработанные авторами материалы и технологи пригодны для создания ряда изделий для оптики, лазерной техники, тоники: термостойких отрезающих и цветных оптических фильтров, оптических деталей (линз, окон, подложек), светотрансформаторов, отражателей квантронов, эрбий и неодим-содержащих заготовок для оптических волоконных усилителей и лазеров.

Перспективными направлениями работ в области золь-гель синтеза стеклообразных материалов следует считать повышение чистоты кроя неземной матрицы, а также однородности распределения легирующих примесей по объему на микро и макроуровнях. Это может быть достигнуто путем формирования соответствующих супрамолекулярных комплексов ионов легирующих компонентов и кремнийорганических соединений или их производных, использования модифицированных аэросилов и повышения степени их чистоты. Актуальными задачами также являются: создание полностью дегидроксилированных, легированных двумя и тремя ионами специальных оптических материалов, разработка функциональных нанокомпозитов с управляемым распределением частиц по объему, содержащих кластеры и нанокристаллы с заданными размерами и химическим составом.

Литература

1. Михеева Т.М. Альгофлора Беларуси. Таксономический каталог. – Минск: БГУ, 1999. – 396 с.

2. Рассашко И.Ф., Савицкий Б.П. Зоопланктон водоемов и водотоков Белорусского Полесья (банк данных за 1888-1985 гг.)/Деп. в ВИНИТИ 22.02.89, №1178-В89.– Гомель, 1989. – 125 с.

3. Труды комплексной экспедиции по изучению водоемов Полесья / Под ред. Г.Г. Винберга. – Минск: БГУ, 1956. – С.

4. Радзимовський Д.О., Полiщук В.В. Планктон рiчкi Прип^,ять. – Киiв, 1970. – 211 с.

5. Галкоýская Г.А., Малаткоý Д.В., Зарубаý А.I., Смiрнова I. А. Вiдавы састаý i колькасць зоапланктону р. Прыпяць на ýчастку Лемяшэвiчы-Нароýля. – Весцi АН БССР, сер. бiял. навук, 1985. - №3. – С. 92-97.

6. Galkovskaya G.A., Molotkov D.V. Species diversity and dominance in the planktonic rotifer community of the Pripyat River in the Chernobyl region (1988-1996) // Hydrobiologia. – 2001. – Vol. 446/447. - P. 179-185.

7. Коловратки (Rotifera) в водных экосистемах Беларуси. Каталог / Г.А. Галковская и др. – Мн.: БГУ, 2001. – 184 с.

8. Мониторинг, использование и управление водными ресурсами бассейна р. Припять / С.А. Афанасьев, Г.М. Тищиков. – Минск, 2003. – С. 191-209.

9. Рассашко И.Ф., Ковалева О.В. Планктонные сообщества, использование показателей их структурной организации при биоиндикации (на примере реки Сож – крупного притока Днера). – Гомель, 2004. – 312 с.

10. Состояние природной среды Беларуси: Экологический бюллетень 2002 г. – Минск, 2003. – 248 с.