"Optisch aktive, kristalline, Selten Erd-dotierte Y₂O₃-PLD-Schichten auf α-Al₂O₃"

"Optically active, crystalline, rare earth doped Y₂O₃ thin film deposited by PLD-technique on α-Al₂O₃"

Kurzfassung

Gegenstand dieser Arbeit war die Herstellung und Charakterisierung von Y₂O₃-Schichten, die mittels der Pulsed Laser Deposition-Technik auf α-Al₂O₃ Substraten aufgewachsen wurden. Die Kristallstruktur wurde mit Hilfe Röntgen-diffraktometrischer Methoden untersucht und es wurden die Prozessparameter für kristallines Wachstum von Y₂O₃ in [111]-Richtung auf α-Al₂O₃ (0001)-Oberflächen erarbeitet.

Die optischen Eigenschaften der Schichten standen im Vordergrund und Europium dotierte Y₂O₃-Schichten wurden im sichtbaren und im (Vakuum-) ultravioletten Spektralbereich spektroskopisch untersucht. Die Charakterisierung der 4f-4f-Übergänge der Eu³⁺-Ionen zeigte, dass sich die lokale Symmetrie der Eu³⁺-Zentren in den Schichten nicht von der Symmetrie unterscheidet, die in Y₂O₃-Volumenkristallen vorliegt, sofern nicht die Ionen in unmittelbarer Grenzschichtnähe zum Al₂O₃-Substrat betrachtet werden. Allerdings konnte gezeigt werden, dass Verspannungen an der Grenzschicht deutliche Verzerrungen der lokalen Symmetrie hervorrufen und stark modifizierte Spektren zur Folge haben.

Zusätzlich wurde aufgezeigt, dass die Existenz von Europiumionen an der Grenzschicht zwischen der Y₂O₃-PLD-Schicht und dem Al₂O₃-Substrat für angeregte Zustände verantwortlich sind, die in Eu³:Y₂O₃-Volumenkristallen nicht nachgewiesen werden können.

Es wurde eine sehr starke, spektral breitbandige Lumineszenz im blauen Spektralbereich mit einem Maximum bei der Energie E=3eV (λ=415nm) unter Anregung mit Photonenenergien um 6eV (λ=203nm) beobachtet. Diese Lumineszenz trat nur in solchen Schichten auf, in denen Europiumionen direkt an der Grenzschicht vorliegen. Ein Vergleich mit dünnen Schichten, die mittels Elektronenstrahlverdampfung hergestellt wurden, demonstrierte, dass dieses Phänomen mit dem PLD-Prozess verbunden ist. Unter der Annahme, dass ein gewisser Anteil der Europiumionen als zweiwertige Eu²⁺-Ionen an der Grenzschicht eingebaut werden, wurde ein Modell entwickelt, das diesen Effekt erklärt.

Außerdem ließen sich in den Eu³⁺:Y₂O₃-Schichten Exzitonen mit beträchtlich niedrigeren Energien anregen als es im Volumenkristall möglich war. Diese energetisch niedrigeren Zustände wurden durch die Wechselwirkung der Exzitonen mit den Dotierungsionen und Gitterfehlstellen in Grenzschichtnähe erklärt.

Das Schichtsystem Y₂O₃ auf Al₂O₃ wurde detailliert in Hinblick auf die Eignung als Wellenleiter untersucht. In theoretischen Überlegungen wurde die prinzipielle Tauglichkeit demonstriert und experimentell wurde Wellenleitung in einer 3μm dicken Nd³⁺:Y₂O₃-Schicht auf einem Al₂O₃-Substrat nachgewiesen.

Titel

Kurzfassung

Summary

The subject of this work is the preparation and characterization of Y₂O₃ thin films grown on α-Al₂O₃ substrates using the Pulsed-Laser-Deposition (PLD) technique. By investigating the crystal structure through X-Ray Diffractometry (XRD) it was possible to aquire suitable process parameters for crystalline thin film growth in Y₂O₃ [111]-direction on α-Al₂O₃ (0001)-surfaces. Europium doped Y₂O₃ thin films were investigated spectroscopically in the (vacuum-) ultraviolet and visible spectral range in order to study the optical properties of the films. The spectroscopic characterization of the 4f-4f transitions of the Eu³⁺ ions shows that the local symmetry of the Eu³⁺ centers within the films is not changed due to strain in comparison to the bulk crystal as long as the Eu³⁺ centers are not located directly at the interface to the substrate. However, Eu³⁺ ions which are located directly at the interface show modified spectra and it was proven that the local symmetry is strongly distorted at the interface to the substrate. Additionally, the presence of europium ions at the interface between the Y₂O₃ PLD film and the Al₂O₃ substrate is responsible for the existence of excited states which are observed in PLD films but not in Eu³⁺:Y₂O₃ bulk crystals. A very strong and spectrally broad luminescence band with a maximum at E=3eV (λ=415nm) is observed at excitation with 6eV photons (λ=203nm) if europium ions exist at the interface. A comparison to thin films grown by electron beam evaporation shows that this luminescence is related to the PLD thin film growth technique. A model is presented which explains the effect, provided that a certain amount of the dopant ions are incorporated as divalent Eu²⁺ ions at the interface. Further, excitonic states can be excited in the Eu³⁺:Y₂O₃ films at considerably reduced energies in comparison to Eu³⁺:Y₂O₃ bulk crystals since the dopant ions at the interface and lattice defects induce traps for excitons. With regard to the application of rare earth doped crystalline films as waveguide devices a detailed analysis of the waveguide properties of this layer system is done. Theoretical considerations show that the applicability is in principle given for Y₂O₃ films on Al₂O₃ substrates. Besides, wave guiding is demonstrated experimentally in a 3μm thick Nd³⁺:Y₂O₃ film on Al₂O₃.