O Instytucie

Tytuł: Tuning Emission Energy by Atomic Substitution in Cr3+-doped K2ABF6 (A=Li, Na, B=Al, Ga, In) Fluorides

Autorzy: Z. Umar, O. Khyzhun, M. Brik, M. Szymczak, L. Marciniak, M. Piasecki*

Czasopismo: The Journal of Physical Chemistry Letters

DOI: 10.1021/acs.jpclett.5c02832

W niniejszej pracy przedstawiono wyniki obliczeń ab initio wykonanych w ramach teorii funkcjonału gęstości (DFT), dotyczących struktury elektronowej oraz parametrów przejść optycznych ²E → ⁴A₂ i ⁴T₂ → ⁴A₂ jonów Cr³⁺ w szeregu fluorków o ogólnym wzorze chemicznym K₂ABF₆ (A = Li, Na; B = Al, Ga, In). Obliczenia przeprowadzone dla materiałów niedomieszkowanych wskazują, że szerokość przerwy energetycznej stopniowo maleje w sekwencji K₂AAlF₆ → K₂AGaF₆ → K₂AInF₆. Dane teoretyczne ujawniają, że w fluorkach K₂ABF₆ domieszkowanych jonami Cr³⁺ pojawiają się nowe stany elektronowe typu spin-up oraz spin-down, związane z orbitalami 3d jonów Cr³⁺, zlokalizowane wewnątrz przerw energetycznych matrycy.

Charakterystyczną cechą luminoforów K₂ABF₆:Cr³⁺ jest tworzenie wiązań chemicznych Cr-F wynikających z hybrydyzacji stanów 3d jonów Cr³⁺ oraz 2p atomów fluoru. Energia pasma ²E → ⁴A₂ dla przejścia spinowo zabronionego rośnie wraz ze wzrostem długości wiązań Cr-F, natomiast parametr siły pola krystalicznego 10Dq (⁴T₂ → ⁴A₂) maleje w szeregu K₂AAlF₆:Cr³⁺ → K₂AGaF₆:Cr³⁺ → K₂AInF₆:Cr³⁺. Przedstawione analizy teoretyczne dla luminoforów K₂ABF₆:Cr³⁺ zostały wykonane po raz pierwszy i stanowią solidną podstawę do lepszego zrozumienia właściwości fizycznych zarówno materiałów niedomieszkowanych, jak i domieszkowanych jonami Cr³⁺, które zaliczają się do perspektywicznych materiałów fosforowych.

Obliczenia wskazują ponadto, że w tej rodzinie fluorków domieszkowanych Cr³⁺ energia pasma emisyjnego może być efektywnie dostrajana poprzez zastępowanie wybranych atomów ich odpowiednikami, co może okazać się użyteczne w badaniach także innych pokrewnych związków jako obiecujących luminoforów. Z praktycznego punktu widzenia uzyskane zależności umożliwiają otrzymanie pożądanych parametrów emisji poprzez ukierunkowaną optymalizację składu chemicznego. Zaprezentowane podejście obliczeniowe może być z łatwością zastosowane do innych materiałów optycznych, bez ograniczeń związanych z symetrią czy składem chemicznym, co stwarza możliwości precyzyjnego wyznaczania właściwości luminescencyjnych oraz pozwala na ukierunkowaną syntezę wydajnych luminoforów o przewidywanych właściwościach i pożądanym rozkładzie widmowym emisji.

Szczegóły tych badań opublikowano w czasopiśmie The Journal of Physical Chemistry Letters.

Przedstawione prace powstały w ramach współpracy pomiędzy Uniwersytetem im. Jana Długosza w Częstochowie i Instytutem Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych PAN w ramach projektu NCN Opus UMO- 2023/49/B/ST5/03384.