Processus optiques dans des cristaux de type spinepélle alpha-ZnAl2S4 dos par des ions des métaux de transition : ti, Co et V

par Sergiu Anghel

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Georges Boulon et de Leonid Culiuc.

Le jury était composé de Veaceslav Ursachi, Yannick Guyot, Alexei Simaşchevici.

Les rapporteurs étaient Bruno Viana, Anatolie Casian.


  • Résumé

    Les propriétés spectroscopiques des monocristaux de α-ZnAl2S4, semi-conducteurs de type spinelle avec une large bande interdite, dopées par les ions des métaux de transition sont investigués et leur interprétation est donnée. Les monocristaux, obtenus par la méthode de transport chimique en phase vapeur avec la concentration des impuretés dopantes compris entre 0.01 – 0.1% at., représentent des octaèdres homogènes optique avec des faces orientent (111). Les analyses par les rayons X ont confirmé que tous les échantillons ont cristallisés dans une structure normale de type spinelle avec la symétrie cubique Fd3m (Oh7). Les monocristaux de α-ZnAl2S4 : Ti manifestent des propriétés radiatives dans le domaine spectral du proche infrarouge 0.8–1.4μm. Les résultats spectroscopiques obtenus dans l’intervalle des températures 10-300K (les spectres de la photoluminescence stationnaire et résolue en temps, de l’absorption et de l’excitation de la photoluminescence) sont interprétés dans les termes d’un cluster composé par un ion de Ti4+ dans une configuration octaédrique des six ions de soufre. Les bandes spectrales observées sont attribuées à des transitions électroniques survenues d’un transfert de charge ligand Ti4+ pour les sites octaédriques de titane, qui est en concordance avec la évidence expérimentale de l’absence du RPE signale des ions de Ti. Les constantes vibroniques des niveaux excités et l’auteur de la barrière potentielle entre eux ont étés calculés. La structure des spectres d’absorption et de la luminescence des monocristaux de α-ZnAl2S4 :Co est déterminé par les transitions électroniques des ions de Co2+ localisés dans des sites tétraédriques. Quatre composantes spectrales radiatifs sont révélés en utilisant la spectroscopie résolue en temps sous différentes longueur d’onde d’excitation et il est montré que la photoluminescence des monocristaux de α-ZnAl2S4 : Co est dû aux transitions électroniques entre les niveaux excités des ions de Co2+. Les valeurs calculées des constantes de l’interaction spin – orbite des niveaux excités indiquent une faible influence du part de champ cristallin et une forte interaction spin – orbite. L’absorption optique et la photoluminescence des monocristaux de α-ZnAI2S4 : V sont déterminées des transitions électroniques du vanadium trivalent situé dans des sites octaédriques. L’augmentation de la température est accompagnée par l’amplification de la luminescence intégrale et l’élargissement du spectre centré à λ =1.4μm. Trois composantes spectrales radiatifs de α-ZnAI2S4 : V révélés aux basses températures sont dû aux transitions électroniques des ions de V3+. D’après l’analyse comparative des propriétés spectroscopiques des monocristaux de type spinelle de α-ZnAl2S4 dopés par les ions des métaux de transition Ti, Co, et V, le plus favorable comme milieux actifs laser, est le composée α-ZnAl2S4 : V3+, qui pourrais assurer l’émission dans le domaine des longueurs d’ondes 1.2-1.6μm, ce qui correspondent à la région spectrale utilisée par les systèmes des communications sur fibre optique.

  • Titre traduit

    Optical processes in α-ZnAl2S4 spinel-type single crystals doped by transition metals ions : ti, Co et V


  • Résumé

    Spectroscopic properties of α-ZnAl2S4 spinel-type single crystals of the wide band gap semiconductor doped by the transition metals Ti, Co and V are investigated and their interpretation is presented. The crystals, grown by the chemical vapour transport method, with activator impurities concentrations 0.01 – 0.1% at., correspond to optically homogeneous octahedrons with (111) - oriented mirror-like faces. The x-ray analyses confirm that all samples crystallised into the normal spinel type structure with Fd3m (Oh7) cubic symmetry. It is found out that α-ZnAl2S4:Ti single crystals exhibit luminescence in the IR spectral range 0.8–1.4μm. The spectroscopic results obtained in the temperature range 10-300K (steady-state and time resolved photoluminescence, optical absorption and excitation luminescence spectra) are interpreted in terms of a cluster composed of the central Ti4+ ion in an octahedral coordination of six sulphur ions. The observed spectral bands are assigned to the electronic transitions arising from the ligand – Ti4+ charge transfer for octahedral sites of titanium that is in agreement with the experimental evidence for the absence of the EPR signal from Ti ions. The vibronic coupling constant for the excited levels and the barrier height between them are calculated. The structure of the absorption and luminescence spectra of α-ZnAl2S4:Co crystals is determined by the electronic transitions of Co2+ ions located in tetrahedral sites. Four radiative spectral components are revealed using the time-resolved spectroscopy at different excitation wavelengths and it is shown that the luminescence of α-ZnAl2S4:Co crystals is due to the electronic transitions between the excited levels of Co2+ ions. The calculated values of the spin-orbit coupling constants of the excited levels indicate a weak crystal field influence and a strong spin-orbit coupling. It is determined that the absorption and luminescent properties of α-ZnAl2S4:V spinel type crystals are the result of electronic transitions of trivalent vanadium ions located in octahedral sites. The rise of temperature leads to the enhancement of the integral luminescence intensity and to the broadening of the spectrum centered at λ =1.4μm. Three main spectral components of the α-ZnAI2S4:V IR spectra revealed at low temperatures are caused by electronic transitions of V3+ ions. The coexistence of a broad band with the narrow lines at low temperatures, when the thermal energy kBT is much less than the height of the potential barrier between the excited states, is explained assuming that there is a phonon assisted tunnelling between these states. On the base of the comparative analysis of spectroscopic properties of α-ZnAl2S4 spinel type crystals doped with transition metals Ti, Co, and V it is established that α-ZnAl2S4:V3+ compounds are the most appropriate for applications as active media for solid state IR-lasers tunable in the 1.2-1.6μm wavelength range, which corresponds to the spectral region used in the fibre-optics communication systems.


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