"Ultradünne, Eu-dotierte, thermisch aufgedampfte Sesquioxid-Schichten auf α-Al₂O₃-Substraten"

"Eu-doped sesquioxide ultra-thin films deposited by thermal evaporation on α-Al₂O₃ substrates"

Kurzfassung

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Eu:Y₂O₃- und Eu:(Lu_0,19Sc_0,81)₂O₃-Schichten auf der (0001)-Oberfläche von α-Al₂O₃-Substraten mittels Electron-Beam Evaporation (EBV) und Ion Assisted Deposition (IAD) abgeschieden. Die Proben sind zwischen 3,6 nm und 3,7 mm dick und zumeist mit 3,5 %_mol Europium dotiert.

Mittels EBV abgeschiedene Y₂O₃-Schichten bestehen aus polykristallinem α-Y₂O₃ mit einer Beimischung β-Y₂O₃. Die Packungsdichte der Schichten ist nicht wesentlich größer als 0,86 und die Größe der α-Y₂O₃-Kristallite beträgt maximal 27 nm. Die lokale Symmetrie der α- Y₂O₃-Kristallite entspricht dem Volumenmaterial, solange eine Schichtdicke von einigen zehn Nanometern nicht unterschritten wird. Effekte, die mit der Oberfläche der Kristallite bzw. Korngrenzen assoziiert sind, führen – gegenüber mittels PLD abgeschiedenen Filmen – zu einer deutlich verminderten Fluoreszenzquanteneffizienz. Zirka sechs Monate nach der Herstellung der Schichten wurde eine Trübung der Proben beobachtet, die der Bildung einer amorphen Hydroxid-Phase zugeschrieben wird.

Die (Lu/Sc)₂O₃-Schichten sind chemisch stabil. Die Gitterfehlanpassung zum Substrat beträgt -1,5 %, gegenüber 4,7 % für α-Y₂O₃. Dies führt zum Aufwachsen von (Lu/Sc)₂O₃-Kristalliten in <111>-Richtung, die bezüglich der Orientierung um die Flächennormale den Vorgaben des Substrats folgen. Die Kristallite sind deutlich größer als in vergleichbar dicken Y₂O₃-Schichten und die Quanteneffizienz der Eu³⁺-Fluoreszenz ist deutlich höher. Die lokale Symmetrie der Eu₃₊-Zentren unterscheidet sich nicht von der Symmetrie in (Lu/Sc)₂O₃-Volumenkristallen. Erst unterhalb einer mittleren Schichtdicke von etwa 5 nm werden die spektroskopischen Eigenschaften von Oberflächeneffekten dominiert.

Eu:Y₂O₃-Schichten, die mittels IAD abgeschieden wurden, ähneln den EBV-deponierten Y2O3-Schichten – insbesondere bezüglich geringer Kristallitgröße und niedriger Fluoreszenz- quanteneffizienz. Lediglich die Entstehung von β-Y₂O₃ konnte durch den Beschuss mit Sauerstoffionen wirksam unterdrückt werden.

Die strukturellen Eigenschaften von Y₂O₃- und (Lu/Sc)₂O₃-Schichten auf Al₂O₃-Substraten lassen sich durch nachträgliche Wärmebehandlung nicht verbessern, da bei den dazu notwendigen Temperaturen Al-Ionen in die Schicht diffundieren und polykristallines Y₃Al₅O12 bzw. Lu₃(Sc/Al)₅O₁₂ entsteht.

Titel

Kurzfassung

Summary

In the course of this work Eu:Y₂O₃ and Eu:(Lu_0.19Sc_0.81)₂O3 thin films were grown on (0001)-surfaces of α-Al₂O₃-substrates using electron-beam evaporation (EBV) and ion assisted deposition (IAD) technique. The thickness of the films ranges between 3.6 nm and 3.7 mm. The europium concentration is about 3.5 %_mol .

Y₂O₃ films deposited by EBV consist of polycrystalline _a-Y₂O₃ with little admixture of β-Y₂O₃. The packing density is in the order of 0.86 and the average size of the α-Y₂O₃-domains is 27 nm at most. The local symmetry of the α-Y₂O₃ domains is equivalent to the symmetry of the bulk crystal as long as the average film thickness exceeds some 10 nanometers. Effects associated with the surface or grain boundaries reduce the quantum yield of the Eu³⁺-fluorescence considerably compared with films deposited by PLD. The samples were found to become dull within six month after preparation. This is attributed to formation of an amorphous hydroxide phase.

(Lu/Sc)₂O₃-films are chemically stable. The lattice mismatch to the substrate is -1,5 % whereas it is 4 % for α-Y₂O₃. This leads to films textured along the <111> direction. The grains tend to follow the guidelines of the substrate by being oriented around the surface normal. The grain size and quantum yield of the fluorescence is considerably larger than in Y₂O₃-films of similar thickness. The local symmetry of the Eu³⁺-centers is identical to the symmetry in (Lu/Sc)₂O₃ bulk crystals. Spectral modifications due to surface effects dominate only when the average film thickness is about 5 nm or less.

The structural properties of Eu:Y₂O₃-films deposited by IAD resemble those deposited by EBV – particularly with regard to the small-scale grain size and low quantum efficiency of fluorescence. However, the formation of β-Y₂O₃ was efficiently suppressed by the use of an O-ion beam.

The crystal structure of Y₂O₃- and (Lu/Sc) ₂O₃-films on Al₂O₃-substrates cannot be improved by post deposition annealing. Before the necessary temperature to improve the film quality is reached Al-ion diffusion occurs, which leads to the formation of polycrystalline Y₃Al₅O₁₂ and Lu₃(Sc/Al)₅O₁₂, respectively.