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研究生:吳玉樺
研究生(外文):Yu-hua Wu
論文名稱:摻鉻晶體的時間解析發光性質之研究
論文名稱(外文):Time-resolved Luminescence Studies of Cr doped crystal
指導教授:徐瑞鴻徐瑞鴻引用關係
指導教授(外文):Hsu, Jui-Hung
學位類別:碩士
校院名稱:國立中山大學
系所名稱:材料科學研究所
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:110
中文關鍵詞:時間解析
外文關鍵詞:FTIRtime-resolvedYAGYVO4
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摻鉻(Cr)離子晶體可依鉻離子價數不同及晶體差異而表現出不同的發光特性。其中紅寶石因Cr3+而表現出694nm附近的雙譜線,而Cr4+:YAG所輻射出的螢光位於1.1~1.6μm間,可用於光通訊。但是要如何控制鉻離子位在晶體的位置和控制其它缺陷所造成的螢光,仍是目前需要探討的。
本論文研究摻雜鉻離子在不同的晶體結構(Al2O3與YAG)中所呈現的螢光光譜的差異,並觀察隨著摻雜鉻離子濃度的增加時,位在八面體的Cr3+表現出不同的螢光光譜與螢光生命期。此外,當摻雜的鉻離子所處在不同的主體晶格時,所受到的晶場強度也會有所差異,也影響其螢光光譜的表現。
本實驗中利用FTIR和共焦顯微鏡作為量測的工具。Step-scan FTIR提供寬廣紅外光範圍的波數、延遲時間與螢光強度的3D關係,配合於外部光源量測時,可得到外部光源的時間解析光譜;利用共焦顯微鏡的高收光效率和具有良好的空間濾波效果,可得到較好的訊噪比。
此外,顯微鏡系統所進行的Raman光譜測量,顯示在紅寶石晶體中,由於Cr3+之電子能階共振,所得之Raman光譜與未摻雜鉻離子之Sapphire晶體不同。
Chromium doped crystals exhibit different emitting properties for their different valance species and the host crystals. Ruby shows narrow twin peaks around 694 nm for its Cr3+ ions. Cr4+:YAG has a broadband luminescence range on 1.1~1.6μm, which is suitable for optical communication.
The thesis aims to study the luminescent spectra of Cr ions in different crystal structure (Al2O3 and YAG). Cr concentration dependent spectra indicate Cr3+ moving toward the octahedron sites. It results the change of luminescent spectra and luminescent decay lifetime.
Both FTIR and confocal microscopy are used for the investigations. Step-scan FTIR provides the relation of luminescence intensity relating to both wavenumber and delay time, of the external light source.The high numerical aperture optics in the confocal microscope provides higher collection efficiency, and results a better S/N ratio.
In addition, Raman spectra are measured. Ruby and sapphire crystals exhibit different Raman spectra, which results from the electronic resonance of the Cr3+ ions in the ruby crystal.
目錄 頁碼
摘要 i
Abstract ii
致謝 iii
圖目錄 viii
表目錄 xi
第一章 緒論 1
第二章 實驗原理 4
Part(A) FTIR系統 4
2.1 FTIR的簡介 4
2.2 FTIR的基本架構 5
2.3 麥克森干涉儀(Michelson Interferometer)的工作原理 7
2.4 傅利葉轉換與反傅利葉轉換關係 11
2.5 連續掃瞄法(continuous-scan method) 14
2.6 步進式掃描法(step-scan method) 15
2.7 FTIR的優點 18
Part (B) 共焦顯微鏡系統 21
2.8 共焦顯微鏡(confocal microscopy) 21
第三章 晶場效應、YAG與拉曼的簡介 25
3.1 晶場效應(crystal field theory) 25
3.2 Cr3+能階受晶場的影響 29
3.3 Cr4+能階受晶場的影響 32
3.4 Cr:YAG晶體特性 34
3.5 電荷補償 (charge compensation) 37
3.6 Cr3+:YAG與Cr4+:YAG 40
3.8 拉曼光譜(Raman spectrum)原理 45
3.9 共振拉曼(Resonance Raman)光譜 46
第四章 實驗架構 47
Part (A): FTIR 47
4.1 FTIR實驗架構大綱 47
4.2 FTIR的校正工作 47
4.3 使用內部光源 連續掃描模式 48
(a)測量內部光源背景值 48
(b)量測Ca:Cr:YVO4和Cr:YVO4的穿透率 49
4.4 使用外部光源 連續掃描模式 49
(a) IR-LED 51
(b) 532(nm)雷射光激發實驗 52
4.5 使用外部光源 步進式掃描(step-scan)模式 53
Part (B):共焦顯微鏡 54
4.6 Al2O3與YAG系列的螢光 56
4.7 YVO4系列的螢光與拉曼 57
4.8 紅寶石的共振拉曼光譜 58
4.9 Al2O3與YAG系列螢光生命期 59
第五章 實驗結果與討論 61
Part (A): FTIR 61
5.1 使用內部光源 連續掃描模式之光譜分析 61
(a)量測內部光源背景值之分析 61
(b)量測Ca:Cr:YVO4和Cr:YVO4的穿透率結果分析 63
5.2 使用外部光源 連續掃描模式之光譜分析 65
(a)IR-LED燈 65
(b)532(nm)雷射光激發實驗 66
5.3 使用外部光源 步進式掃描模式之光譜分析 68
5.4 放棄FTIR時間解析量測的原因 71
Part (B):共焦顯微鏡 71
5.5 量測Al2O3系列的樣品光譜分析 71
5.6 量測YAG系列的樣品光譜分析 75
5.7 量測0.5 % Cr: YVO4的樣品光譜分析 81
5.8 量測紅寶石的拉曼光譜實驗結果 85
5.9 Al2O3與YAG系列的螢光生命期 90
5.10 結論 94
參考文獻 96


圖目錄 頁碼
圖(2-1) 傳統分光式光譜儀5
圖(2-2) 麥克森干涉儀之示意圖7
圖(2-3) 麥克森干涉儀之干涉圖譜 (δ=0)8
圖(2-4) 光譜強度與干涉圖譜10
圖(2-5) 步進式掃描模式取樣示意圖17
圖(2-6) 共焦顯微鏡的工作原理22
圖(3-1) 單一組態離子與振動晶格耦合座標圖26
圖(3-2) 五個d軌域的示意圖27
圖(3-3) 八面體與四面體晶格場的結構圖28
圖(3-4) Cr3+摻雜在晶體中的組態座標圖30
圖(3-5) 八面體座標系d3晶場強度與能階關係圖31
圖(3-6) 四面體座標系d2晶場強度與能階關係圖33
圖(3-7) Cr4+離子的電子能階在Td和D2d對稱系統,與電子自旋耦合作 用下的關係圖33
圖(3-8) Garnet原子結構圖36
圖(3-9) Cr離子在YAG的結構40
圖(3-10) Cr4+:YAG 晶體能階之示意圖42
圖(3-11) YVO4晶體的結構圖43
圖(4-1) 使用內部光源時的光路48
圖(4-2) 使用外部光源時的光路50
圖(4-3) IR-LED燈當外部光源 用連續掃瞄的實驗裝置圖51
圖(4-4) 532nm雷射光激發紅寶石(Cr3+:Al2O3)之實驗裝置圖52
圖(4-5) IR-LED燈 用步進式掃描模式下的實驗置53
圖(4-6) 共焦式電子顯微鏡實驗儀器圖56
圖(4-7) 測量紅寶石拉曼光譜樣品的擺放位置59
圖(4-8) 螢光生命期實驗架構圖60
圖(5-1) MIR光源背景值之光譜62
圖(5-2) NIR光源背景值之光譜62
圖(5-3) Cr:YVO4與Cr:Ca:YVO4在近紅外的穿透率64
圖(5-4) Cr:YVO4與Cr:Ca:YVO4在中紅外的穿透率64
圖(5-5) 使用950nmIR-LED燈的干涉圖譜65
圖(5-6) 使用950nmIR-LED燈的光譜強度分佈66
圖(5-7) 用532nm雷射光激發紅寶石樣品所得到的激發光譜67
圖(5-8) IR-LED燈 在步進式掃描模式下得到的2-D與3-D圖68
圖(5-9) 使用950nmIR-LED燈以波數和光強度為座標軸70
圖(5-10) 使用950nmIR-LED燈以延遲時間和光強度為座標軸70
圖(5-11) Al2O3(sapphire)的螢光光譜72
圖(5-12) 低摻雜0.05%Cr3+:Al2O3(ruby)的螢光光譜72
圖(5-13) 高摻雜2 %Cr3+:Al2O3的螢光光譜73
圖(5-14) 未刻意摻雜其它離子的YAG晶體的螢光光譜78
圖(5-15) Cr:Ca:YAG樣品的螢光光譜78
圖(5-16) 3 mol % Cr: YAG樣品的螢光光譜79
圖(5-17) 0.25 mol % Cr: 0.25 mol % Ca:YAG螢光光譜圖79
圖(5-18) 0.5 % Cr: YVO4樣品(a)光譜圖(b)拉曼光譜83
圖(5-19) (a)入射光照射紅寶石暗紋垂直擺放時之光譜圖。(b)以550.564nm做歸一化之後的光譜圖86
圖(5-20) (a)入射光照射紅寶石亮紋垂直擺放時之光譜圖。(b)以550.564nm做歸一化之後的光譜圖86
圖(5-21) (a)入射光照射紅寶石亮紋垂直擺放時之光譜圖。(b)以561.986nm做歸一化之後的光譜圖87
圖(5-22) 用532nm激發藍寶石(sapphire:Al2O3)的拉曼光譜88
圖(5-23) Al2O3系列樣品的螢光生命期91
圖(5-24) YAG系列樣品的螢光生命期92


表目錄 頁碼
表(2-1) 燈源、分光鏡與偵測器的使用範圍6
表(3-1) 鉻離子在不同基材的放射與吸收頻譜35
表(3-2) YAG晶體原子排列位置37
表(3-3) 摻雜於YAG中離子半徑的不匹配度39
表(3-4) YVO4晶體的物理及光學性質44
表(3-5) 摻雜於YVO4中離子半徑的不匹配度45
表(4-1) IR-LED燈在步進式掃描模式設定之參數.54
表(4-2) 各樣品的入射光強度,與曝光時間參數57
表(5-1) Al2O3系列的樣品,對R-line做積分74
表(5-2) YAG系列的樣品,對R-line與總螢光波段做積分80
表(5-3)改變激發光強度時YVO4特定波長的螢光強度84
表(5-4) 改變激發光強度時YVO4特定波長螢光強度,與計算值85
表(5-5) 入射光照射紅寶石暗紋垂直擺放時,入射光與拉曼譜線的指數關係89
表(5-6) 入射光照射紅寶石亮紋垂直擺放時,入射光與拉曼譜線的指數關係90
表(5-7) Al2O3與YAG系列樣品的螢光生命期93
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