Mechanismus katodoluminiscence monokrystalů YAG:Ce

Mgr. Jan Bok, Ph.D.

Doctoral thesis

Cathodoluminiscence mechanism of YAG:Ce single crystals

Abstract:

Za účelem studia mechanismu katodoluminiscence (CL) cerem dopovaných monokrystalů Y3Al5O12 (YAG:Ce) byla modernizována nekomerční CL aparatura vybudovaná na Ústavu přístrojové techniky AV ČR, v.v.i. V rámci modernizace byla nahrazena řada dílčích přístrojů pro zlepšení detekčních vlastností, byla nově implementována metoda časově korelovaného čítání jednotlivých fotonů (TCSPC) a byla vyvinuta nová vzorková komora s teplotně řízeným držákem vzorku umožňující měření CL v teplotním rozsahu 90-500 K. Za využití modernizovaného experimentálního uspořádání bylo uskutečněno měření CL spektrálních charakteristik a charakteristik doznívání CL YAG:Ce při různě zvolených podmínkách. Studium CL bylo doplněno o měření termoluminiscence, emisní i excitační fotoluminiscence, optické absorpce a absorpce v excitovaném stavu. Experimentální výsledky byly analyzovány za pomoci matematického fitování příslušnými fyzikálními modely. Získané výsledky posloužily k porozumění jednotlivých zářivých i nezářivých přechodů jak Ce3+ center, tak i defektních center, jako jsou antisite defekty a kyslíkové vakance. Byl popsán mechanismus CL monokrystalů YAG:Ce a vysvětlení bylo zaměřeno na využití YAG:Ce jako scintilátoru v rastrovací elektronové mikroskopii.

Abstract:

In order to study the cathodoluminescence (CL) mechanism of the cerium doped Y3Al5O12 (YAG:Ce) single crystals, a non-commercial CL apparatus built in the Institute of Scientific Instruments of the ASCR was upgraded. Within the upgrade, various parts of the apparatus was changed in order to improve the detection qualities; also the method of time-correlated single photon counting (TCSPC) was newly implemented and a new specimen chamber with a temperature-controlled specimen holder enabling CL measurements in the temperature range of 90-500 K was developed and integrated. Using the modernized experimental set-up, the measurement of the YAG:Ce CL spectral and decay characteristics was performed at different conditions. The CL study was accompanied by the measurement of the thermoluminescence, the emission and excitation photoluminescence, the optical absorption, and by the excited state absorption. Experimental results were analyzed using mathematical fitting based on an appropriate physical model. Obtained results helped to understand the individual radiative and non-radiative transitions of both Ce3+ centers and defect centers, such as antisite defects and oxygen vacancies. The CL mechanism of the YAG:Ce single crystals was described and the explanation was focused on the YAG:Ce usage as scintillators in the scanning electron microscopy.

Keywords

Scintilační detektor, scintilátor, krystal, Y3Al5O12, katodoluminiscenční spektrum, doznívání katodoluminiscence, termoluminiscence, fotoluminiscence, optická absorpce, absorpce v excitovaném stavu, antisite defekt, kyslíková vakance, oxidační žíhání

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 17. 4. 2014

Thesis defence

• Date of defence: 13. 6. 2014
• Supervisor: RNDr. Petr Schauer, CSc.
• Reader: doc. RNDr. Miroslav Kučera, CSc., Ing. Martin Nikl, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics (4-years) / Condensed Matter Physics