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La spectroscopie d'absorption de rayons X dans l'analyse de verres dopés aux terres rares F. d’Acapito CNR-IOM-OGG [email protected]

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La spectroscopie d'absorption de rayons X dans l'analyse de verres

dopés aux terres rares

F. d’Acapito [email protected]

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Layout

• Introduction to XAS• Description of GILDA• Experimental examples

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Introduction to the XAS technique

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X-ray Absorption Spectroscopy-XAS

-The information is retrieved from the oscillations above the absorption edge

-Local structural parameters- N (number of neighbors), - R (distance), - σ2 Debye-Waller factor (disorder)

- No need for long range order- Typical accuracy 1% R, 10% N, 20% σ2

Er

O

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XAS spectrum regions

Tetrahedral

Octahedral

2 regions can be defined in the absorption spectrum

•XANES• Up to 50 eV• Long photoelectron wavelength• Electronic structure• Local geometry, symmetry• Complex scattering processes

• EXAFS• Short photoelectron wavelength • Quantitative• Dominated by single scattering

Benfatto PRB 34 5774

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EXAFS data analysis

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XANESSome fundamental data can be

extracted from the near edge region

I: Valence stateThe position of the edge

(1st inflection point) depends on the charge

on the ion.

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Qualitative XANES data analysisThe valence state of a chemical specie can be derived from the position of

the first inflection point of µ(E).

8978

8979

8980

8981

8982

8983

8984

8985

-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5Ed

ge P

ositi

on (e

V)Valence state

Cu

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Qualitative XANES data analysis

• Octahedral vs Tetrahedral site

Analysis of the small features before the edge(1s-3d in Fe3+ comp.)

T O

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Apparatus for measuring XAS

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Measuring µ: direct method

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Indirect methods

Several tens of nm

XEOL

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3 Experimental cabins • XAS Hutch (Instrumentation for XAS experiments)

• Diffraction Hutch (Instrumentation for XRD experiments)• “Open Hutch” (Open to user’s experimental apparata)

Optic Hutch •beam sizing

•mono-chromatization• focalization

Control room• Remote

instrumentation control• Data analysis

The GILDA Beamline

F. d’Acapito et al. ESRF Newsletter 30 (1998), 42

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Some figures

● Energy range: 5-90 keV● Crystals Si(111), (311), (511), (755)● Beam size 2*1 mm² >> 0.2*0.2 mm²● Beam intensity 1011-109 ph/s● HP-Ge detectors for X-ray fluorescence●

Edges: KL

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Experimental examplesHow the local information from XAS helps in

explaining the luminescence properties

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1st investigation on link between structure and luminescence

1017 Er/cm3 -implanted Si: FZ vs CZ substrates.

CZ-Si ~100* more luminescent than FZ-SiCZ-Si contains 1018 O/cm3

2.25(3) Å3.00(1) Å

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Er + O implanted FZ Si (resp 1019 and 1020 /cm3)

Several Annealing processes to promote re-crystallization and Er-O reaction

Comparison structure-luminescence at each stage

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ResultsA: Er-Si coordinationB: Er-Si and Er-OC only Er-OD only Er-O more ordered

ResultsA: barely visible PLB: presence of PLC: more intense PLD: less intense PL respect to C

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Er:aSi prepared by RF sputteringResidual O or on purpose O doping at low level.Creation of ErO

δ complexes with a high luminescence efficiency

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EXAFS spectra N to R comparison: a lower number of neighbors corresponds to a shorter distanceThe non-centrosymmetric environment favours the intra-f emission at 1.54 µm

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Er-implanted sub-stoichiometric Silica.Formation of Si nanoclusters (nc)

T1-T3 different Si-nc sizeC1-C2 like T3 different Er content.

21

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Neighbors vs bond length

Experimental data

Experimental data vs prediction ofBond Valence Method

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PL properties

IntensityLife time

Low-O-coordinated Er plus small NC enhance the PL response

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Er:SiO layers obtained by coevaporationDifferent atmosphere for the process: vacuum (A), O2 (B), NH3 (C, D, E).

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EXAFS experimental data + modelization

Quantitative results

Effect of the local order on the PL intensityAgain, the lowest coordinated Er has shorter Er-O and Er-Si bonds and presents the more intense PL

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FT of t

Looking for the origin of concentration quenching

Various glasses: Aluminosilicate, (AS) Fluorosilicate (FS), Phosphate(P)

Er concentration between 0.08mole% and 3 mole%

FT of the highest Er glasses: AS (line),FS (long dashes), P (short dashes)

The second shell can be explained with Er-(SI, Al , O, P...)No evidence of Er-Er coordination

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Looking for the origin of concentration quenching

Er Phosphate glasses obtained by melt

Is concentration quenching due to a direct Er-Er bond ?

PL lifetime as a function of the Er concentration

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Fourier Transforms of the EXAFS data. A second shell is clearly visible but it is present on all the samples

Data fitting with the proposed structural model

The second shell is due to Er-P coordination bridged by an O. Er-O-P angle well defined

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Er-O-NN angle well defined, about 138 ± 4 deg

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EXAFS data Proposed model for Er clustering: two ions bound to the same SiO4

tetrahedron

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Investigation on fibre preforms (diam. ~500 µm)Glass: SiO2–GeO2–P2O5–Er2O3 with (A) and without (B) CaO

TEM of an A sample

●The addition of Ca promotes the formation of nanoparticles●NP rich in Ca, P, Er●NP amorphous

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PL and local structure

PL of A and B samples: the former is broader and less structured

EXAFSA: glassy like spectrum (only a single frequency)B: modulated spectrum identical to ErPO4.

ConclusionEr has a strong affinity with P to form ErPO4 and the

addition of Ca helps in dispersing Er

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Silic

Silica-Titania-Hafnia layers produced by sol-gelSeveral annealing treatments

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No evidence of crystallizationPL remains broadEvidence of Er-Hf coordination upon annealing

XRD from samples

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Phase separated fibers: a way to insert Yb in crystalline environmentYb-doped Yttria-Alumina-Silica with P2O5. Target: obtain Yb-doped Y2O3.

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Structure & PL

EXAFS high temp samples

EXAFS low temp samples

Anti-stokes PL, λexct

= 978 nm

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Conclusion

XAS is a tool for accessing the local structure of dopants in glassy matrices.

REs in glasses: clear link between structure and optical properties.