Abstract
Experimental data and theoretical concepts of the luminescent properties of nitride materials co-doped with rare-earth activator and sensitizer ions are analyzed and summarized. Data on the aluminum and silicon nitrides and oxynitrides including AlN, α-Si3N4, β-Si3N4, MSixAlyNz (M is alkaline-earth metal), AlxOyNz (alons), SixOyNz (sions), Si6–zAlzOzN8–z and MxSi12–(m+n)Alm+nOnN16–n (sialons) co-doped with rare-earth ions (Eu2+, Ce3+, Tb3+, Er3+, etc.) are considered. Effects originating from co-doping as well as mechanisms of energy transfer between the sensitizer and activator ions are discussed.
Similar content being viewed by others
References
G. A. Abakumov, A. V. Piskunov, V. K. Cherkasov, I. L. Fedushkin, V. P. Ananikov, D. B. Eremin, E. G. Gordeev, I. P. Beletskaya, A. D. Averin, M. N. Bochkarev, A. A. Trifonov, U. M. Dzhemilev, V. A. D’yakonov, M. P. Egorov, A. N. Vereshchagin, M. A. Syroeshkin, V. V. Jouikov, A. M. Muzafarov, A. A. Anisimov, A. V. Arzumanyan, Yu. N. Kononevich, M. N. Temnikov, O. G. Sinyashin, Yu. H. Budnikova, A. R. Burilov, A. A. Karasik, V. F. Mironov, P. A. Storozhenko, G. I. Shcherbakova, B. A. Trofimov, S. V. Amosova, N. K. Gusarova, V. A. Potapov, V. B. Shur, V. V. Burlakov, V. S. Bogdanov, M. V. Andreev, Russ. Chem. Rev., 2018, 87, 393.
Yu. F. Kargin, N. S. Akhmadullina, K. A. Solntsev, Inorg. Mater., 2014, 50, 1325.
J. W. Mallet, J. Chem. Soc., 1876, 30, 349.
I. A. M. Ibrahim, J. Alloys Compd., 2019, 775, 30.
X. Zang, Zh. Li, Q. Zeng, Ceram. Int., 2018, 44, 1461.
R.-J. Xie, N. Hirosaki, Sci. Technol. Adv. Mater., 2007, 8, 588.
L. I. Berger, in Semiconductor Materials, CRC Press, London, 1997, p. 123.
H. J. Lozykowski, W. M. Jadwisienczak, Phys. Status Solidi B, 2007, 244, 2109.
V. A. Shestakov, E. N. Ermakova, S. V. Sysoev, V. I. Kosyakov, M. L. Kosinova, Russ. Chem. Bull. (Int. Ed.), 2018, 67, 980.
F. Yu, J. Yang, A. C. A. Delsing, B. H. T. Hintzen, J. Lumin., 2010, 130, 2298.
J. Warga, R. Li, S. N. Basu, L. D. Negro, Physica E, 2009, 41, 1040.
P. Bielec, W. Schnick, Angew. Chem., 2017, 129, 1.
T. Schlieper, W. Milius, W. Schnick, Z. Anorg. Allg. Chem., 1995, 621, 1380.
J. W. McCauley, N. D. Corbin, in Progress in Nitrogen Ceramics, Ed. F. L. Riley, Martinus Nijhoff Publishers, Boston, 1983, p. 111.
W. Schnick, Int. J. Inorg. Mater., 2001, 3, 1267.
M. Seibald, T. Rosenthal, O. Oeckler, C. Maak, A. Tucks, P. J. Schmidt, D. Wiechert, W. Schnick, Chem. Mater., 2013, 25, 1852.
Y. Oyama, O. Kamigaito, Japan J. Appl. Phys., 1971, 10, 1637.
K. H. Jack, W. I. Wilson, Nat. Phys. Sci., 1972, 238, 28.
J.-F. Yang, Y. Beppu, G.-J. Zhang, T. Ohji, S. Kanzaki, J. Am. Ceram. Soc., 2002, 85, 1879.
F. Xu, E. Sourty, X. Zeng, L. Zhang, L. Gan, X. Mou, W. Shi, Y. Zhu, F. Huang, J. Zhao, Appl. Phys. Lett., 2012, 101, 203.
Y.-Q. Zhang, X.-J. Liu, Z.-R. Huang, J. Chen, Y. Yang, J. Lumin., 2012, 132, 2561.
K. Jun, K. Lee, G. Kim, Y. J. Kim, Ceram. Int., 2013, 39, 349.
W. Hea, Q. Liu, H. Zhong, Mater. Sci. Eng., A, 2011, 528, 8359.
K. H. Jack, J. Mater. Sci., 1976, 11, 1135.
C. Zhang, E. Narimatsu, K. Komeya, J. Tatami, T. Meguro, Mater. Lett., 2000, 43, 315.
I. K. Naik, L. J. Gauckler, T. Y. Tien, J. Am. Ceram. Soc., 1978, 61, 332.
J. Sjoberg, C. O'Meara, R. Rompe, J. Eur. Ceram. Soc., 1992, 10, 41.
M. B. Trigg, K. H. Jack, J. Matter. Sci. Lett., 1987, 6, 407.
X. Piao, K. Machida, T. Horikawa, H. Hanzawa, Y. Shimomura, N. Kij ima, Chem. Mater., 2007, 19, 4592.
Y. Q. Li, N. Hirosaki, R. J. Xie, T. Takeda, M. Mitomo, Chem. Mater., 2008, 20, 6704.
U. T. Hochli, Phys. Rev., 1967, 162, 262.
J. R. Herrington, L. A. Boatner, T. J. Aton, T. L. Estle, Phys. Rev. B, 1974, 10, 833.
J. R. O'Connor, J. H. Chen, J. Phys. Chem. Solids, 1963, 24, 1382–1384.
J. W. H. van Krevel, H. T. Hintzen, R. Metselaar, A. Meijerink, J. Alloys Compd., 1998, 268, 272.
J. W. H. van Krevel, H. T. Hintzen, R. Metselaar, Mater. Res. Bull., 2000, 35, 747.
J. W. H. van Krevel, J. W. T. van Rutten, H. Mandal, H. T. Hintzen, R. Metselaar, J. Solid State Chem., 2002, 165, 19.
H. J. Lozykowski, W. M. Jadwisienczak, A. Bensaoula, O. Monteiro, Microelectron. J., 2005, 36, 453.
T.-C. Liu, B.-M. Cheng, S.-F. Hu, R.-S. Liu, Chem. Mater., 2011, 23, 3698.
P. Pirasteh, J. Charrier, Y. Dumeige, J.-L. Doualan, P. Camy, O. Debieu, C. Liang, L. Khomenkova, J. Lemaitre, Y. G. Boucher, F. Gourbilleau, J. Appl. Phys., 2013, 114, 014906.
U. Vetter, J. B. Gruber, A. S. Nij jar, B. Zandi, G. Ohl, U. Wahl, B. De Vries, H. Hofsass, M. Dietrich, and the ISOLDE Collaboration, Phys. Rev. B., 2006, 74, 205201.
C. T. M. Ribeiro, F. Alvarez, A. R. Zanatta, Adv. Mater., 2002, 14, 1154.
M. Maqbool, T. Ali, Nanoscale Res. Lett., 2009, 4, 748.
R. Weingartner, O. Erlenbach, A. Winnacker, A. Welte, I. Brauer, H. Mendel, H. P. Strunk, C. T. M. Ribeiro, A. R. Zanatta, Opt. Mater., 2006, 28, 790.
Zh. Zhang, O. M. ten Kate, A. Delsing, E. van der Kolk, P. H. L. Notten, P. Dorenbos, J. Zhaoc, H. T. Hintzen, J. Mater. Chem., 2012, 22, 9813.
L.-J. Yin, Q.-Q. Zhu, W. Yu, L.-Y. Hao, X. Xu, F.-C. Hu, M.-H. Lee, J. Appl. Phys., 2012, 111, 053534.
R. J. Xie, M. Mitomo, K. Uheda, F. F. Xu, Y. Akimune, J. Am. Ceram. Soc., 2002, 85, 1229.
R. J. Xie, N. Hirosaki, M. Mitomo, K. Uheda, T. Suehiro, X. Xu, Y. Yamamoto, T. Sekiguchi, J. Phys. Chem. B., 2004, 108, 12027.
Y. Q. Li, E. J. van Steen, J. W. H. van Krevel, G. Botty, A. C. A. Delsing, F. J. DiSalvo, G. de With, H. T. Hintzen, J. Alloys Compd., 2006, 417, 273.
Y. Q. Li, G. de With, H. T. Hintzen, J. Solid State Chem., 2008, 181, 515.
K. Uheda, N. Hirosaki, Y. Yamamoto, A. Naito, T. Nakajima, H. Yamamoto, Electrochem. Solid-State Lett., 2006, 9, H22.
K. Uheda, N. Hirosaki, Y. Yamamoto, H. Yamamoto, Phys. Status Solidi A, 2006, 203, 2712.
H. Watanabe, H. Yamane, N. Kij ima, J. Solid State Chem., 2008, 181, 1848.
H. Watanabe, N. Kij ima, J. Alloys Comp., 2009, 475, 434.
U. Vetter, J. Zenneck, H. Hofsass, Appl. Phys. Lett., 2003, 83, 2145.
X. Chen, P. P. Dai, X. T. Zhang, C. Li, S. Lu, X. L. Wang, Y. Jia, Y. C. Liu, Inorg. Chem., 2014, 53, 3441.
P. P. Dai, X. T. Zhang, L. L. Bian, S. Lu, Y. C. Liu, X. J. Wang, J. Mater. Chem. C, 2013, 1, 4570.
N. Guo, Y. Song, H. You, G. Jia, M. Yang, K. Liu, Y. Zheng, Y. Huang, H. Zhang, J. Eur. J. Inorg. Chem., 2010, 29, 4636.
S. B. Aldabergenova, G. Frank, H. P. Strunk, M. Maqbool, H. H. Richardson, M. E. Kordesch, J. Non-Cryst. Solids, 2006, 352, 1290.
J. C. Oliveira, A. Cavaleiro, M. T. Vieira, L. Bigot, C. Garapon, J. Mugnier, B. Jacquier, Thin Solid Films, 2004, 446, 264.
V. Brien, P. Miska, H. Rinnert, D. Geneve, P. Pigeat, Mater. Sci. Eng. B, 2008, 146, 200.
V. I. Dimitrova, P. G. Van Patten, H. Richardson, M. E. Kordesch, Appl. Surf. Sci., 2001, 175-176, 480.
Y. Gong, S. Yerci, R. Li, L. D. Negro, J. Vučković, Opt. Express, 2009, 17, 20642.
U. Hommerich, J. T. Seo, J. D. MacKenzie, C. R. Abernathy, R. Birkhahn, A. J. Steckl, J. M. Zavada, MRS Internet J. Nitride Semicond. Res., 2000, 5, 824.
V. Prajzler, E. Alves, C. Buchal, I. Huttel, J. Spirkova, J. Oswald, J. Zavadil, V. Perina, V. Jerabek, Proc. SPIE–Int. Soc. Opt. Eng., Advances in Thin-Film Coatings for Optical Applications III (San Diego, Michigan, August 13—17, 2006), San Diego, Michigan, USA 2006, 6286, 62860.
B. Han, K. C. Mishra, K. Klinedinst, J. Tao, J. B. Talbot, J. Electrochem. Soc., 2007, 154, J262.
U. Hommerich, E. E. Nyein, D. S. Lee, J. Heikenfeld, A. J. Steckl, J. M. Zavada, Mater. Sci. Eng., 2003, B105, 91.
X. Teng, Y. Liu, Y. Liu, Y. Hu, H. He, W. Zhuang, J. Lumin., 2010, 130, 851.
Z. Zhang, O. M. ten Kate, A. C. A. Delsing, M. J. H. Stevens, J. Zhao, P. H. L. Notten, P. Dorenbos, H. T. Hintzen, J. Mater. Chem., 2012, 22, 23871.
R. J. Xie, N. Hirosaki, M. Mitomo, K. Uheda, T. Suehiro, X. Xu, Y. Yamamoto, T. Sekiguchi, J. Phys. Chem. B., 2005, 109, 9490.
A. M. Srivastava, P. Dorenbos, J. Lumin., 2009, 129, 634.
S. W. Choi, Y. J. Kim, S. H. Hong, Opt. Mater., 2011, 33, 1700.
L. H. Liu, R. J. Xie, N. Hirosaki, T. Takeda, C. N. Zhang, J. G. Li, X. D. Sun, Sci. Technol. Adv. Mater., 2011, 12, 034404.
V. Bachmann, T. Justel, A. Meij erink, C. Ronda, P. J. Schmidt, J. Lumin., 2006, 121, 441.
J. Ruan, R. J. Xie, N. Hirosaki, T. Takeda, J. Electrochem. Soc., 2012, 159, H66.
O. M. ten Kate, H. T. Hintzen, P. Dorenbos, E. van der Kolk, J. Mater. Chem., 2011, 21, 18289.
L.-M. Shao, X.-P. Jing, ECS J. Solid State Sci. Technol., 2012, 1, R22.
D. L. Dexter, J. H. Schulman, J. Chem. Phys., 1954, 22, 1063.
G. Blasse, B. C. Grabmaier, Luminescent Materials, Springer, Berlin, 1994.
G. Blasse, Philips Res. Rep., 1969, 24, 131.
D. L. Dexter, J. Chem. Phys., 1953, 21, 836.
V. S. Marques, L. S. Cavalcante, J. C. Sczancoski, E. C. Paris, J. M. C. Teixeira, J. A. Varela, F. S. De Vicente, M. R. Joya, P. S. Pizani, M. Siu Li, M. R. M. C. Santos, E. Longo, Spectrochim. Acta A: Mol. & Biomol. Spectr., 2009, 74, 1050.
S. H. M. Poort, W. P. Blokpoel, G. Blasse, Chem. Mater., 1995, 7, 1547.
L. G. Van Uitert, J. Electrochem. Soc., 1967, 114, 1048.
L. Ozawa, P. M. Jaffe, J. Electrochem. Soc., 1971, 118, 1678.
W. J. Yang, L. Y. Luo, T. M. Chen, N. S. Wang, Chem. Mater., 2005, 17, 3883.
W. J. Yang, T. M. Chen, Appl. Phys. Lett., 2006, 88, 101903.
C. F. Guo, L. Luan, Y. Xu, F. Gao, L. F. Liang, J. Electrochem. Soc., 2008, 155, J310.
Q. Wu, Y. Li, X. Wang, Z. Zhao, C. Wang, H. Li, A. Mao, Y. Wang, RSC Adv., 2014, 4, 39030.
R. S. Liu, Y. H. Liu, N. C. Bagkar, S. F. Hu, Appl. Phys. Lett., 2007, 91, 061119.
X. Song, R. Fu, S. Agathopoulos, H. He, X. Zhao, R. Li, J. Electrochem. Soc., 2010, 157, J34.
R. Fu, S. Agathopoulos, X. Song, X. Zhao, H. He, X. Yu, Opt. Mater., 2010, 33, 99.
L. Deng, J. Lei, Y. Shi, T. Lin, Y. Ren, J. Xie, Mater. Lett., 2011, 65, 769.
W.-W. Hu, Q.-Q. Zhu, L. Hao, X. Xu, S. Agathopoulos, J. Lumin., 2014, 149, 155.
H. Ju, X. Su, B. Wang, D. Deng, S. Zhao, S. Xu, J. Rare Metals, 2012, 30, 97.
J. Zhang, C. Ma, Z. Wen, M. Du, J. Long, R. Ma, X. Yuan, J. Li, Y. Cao, Opt. Mater., 2016, 58, 290.
K. Van den Eeckhout, P. F. Smet, D. Poelman, J. Lumin., 2009, 129, 1140.
F. Zhang, L. An, X. Liu, G. Zhou, X. Yuan, S. Wang, J. Am. Ceram. Soc., 2009, 92, 1888.
J. Rodrigues, S. M. C. Miranda, N. F. Santos, A. J. Neves, E. Alves, K. Lorenz, T. Monteiro, Mater. Chem. Phys., 2012, 134, 716.
X. D. Wang, Y. J. Mo, M. M. Yang, X. H. Zeng, J. F. Wang, K. Xu, Opt. Mater. Express, 2016, 6, 258674.
Author information
Authors and Affiliations
Corresponding author
Additional information
This work was financially supported by the Russian Foundation for Basic Research (Project No. 17-03-00630).
Based on the materials of the XXI Mendeleev Congress on General and Applied Chemistry (September 9—13, 2019, St. Petersburg, Russia).
Published in Russian in Izvestiya Akademii Nauk. Seriya Khimicheskaya, No. 5, pp. 0825–0837, May, 2020.
Rights and permissions
About this article
Cite this article
Akhmadullin, N.S., Shishilov, O.N. & Kargin, Y.F. Sensitization effects in nitride materials doped with rare-earth metals ions. Russ Chem Bull 69, 825–837 (2020). https://doi.org/10.1007/s11172-020-2841-4
Received:
Accepted:
Published:
Issue Date:
DOI: https://doi.org/10.1007/s11172-020-2841-4