Аннотация результатов, полученных в 2022 году
За отчетный период синтезированы и определены условия синтеза чистых и легированных ионами Ti, V, Cr, Mn, Fe и Co образцов оксинитрида алюминия AlON с концентрацией активатора от 0 до 5 %. Концентрационная серия с каждым из активаторов состоит из 8 образцов с концентрациями 0.01, 0.05, 0.1, 0.2, 0.5, 1.0, 2.0 и 5.0 ат.%. Всего синтезировано 48 образцов по плану и дополнительно 8 образцов с ионами Mn с соактиватором Mg. Синтез проведен методом кратковременного высокотемпературного обжига в токе азота N2 гомогенизированных и компактированных смесей порошков оксида алюминия, полученного золь-гель методом из изопропоксида алюминия, нитрида алюминия и оксидов Ti, V, Fe, либо ацетатов Mn и Co, либо дихромата аммония. В качестве исходных реагентов для всех серий образцов использовались изопропоксид алюминия Al(OiPr)3, моногидрат лимонной кислоты и нитрид алюминия AlN. Фазовый состав исходных порошков и полученных керамических образцов контролировали методом рентгеновского фазового анализа. Анализ дифрактограмм образцов AlON, легированных ионами Ti, V, Cr, Mn, Fe и Co показал, что в результате синтеза основную фазу готового продукта (более 95 %) составляет фаза Al5O6N или γ-AlON с примесью нитрида алюминия AlN и в зависимости от допаната примесями TiN, CoN, VC, Al2O3 и Fe. При этом обнаружено, что легирование оксинитрида алюминия титаном и кобальтом даже в малых концентрациях (менее 0.05 ат.%) приводит к существенному снижению появления примеси корунда при синтезе. Можно заключить, что кобальт и титан являются более эффективными легирующими примесями для подавления образования корунда при синтезе алонов вместо часто используемого магния в концентрациях от 0.5 ат. % до 10 ат. %. При этом предел растворимости титана и кобальта в оксинитриде алюминия не превышает 0.5 ат.% относительно алюминия. Исследования синтезированных материалов методами сканирующей электронной микроскопии и энергодисперсионного рентгеновского микроанализа показали, что частицы в образцах имеют сложную форму со средним размером порядка 1.5-2 мкм. Обнаружены ярко люминесцирующие частицы, выделяющиеся на общем фоне свечения. Установлено, что состав данных частиц близок к составу примеси AlN c высоким содержанием кислорода. Элементный анализ показал, что помимо основных элементов Al, O, N и легирующей примеси в образцах обнаруживаются примеси Mg, Si, P, Ca и Fe. Содержание неконтролируемых примесей не превысило 0.5 ат.%. Методами оптической абсорбционной спектроскопии измерены оптические характеристики синтезированных образцов. Для образцов всех серий, кроме AlON:Mn, наблюдается увеличение показателя поглощения в области прозрачности оксинитрида алюминия (при длине волны более 300 нм) при увеличении концентрации допанта. Данный эффект объясняется появлением дополнительных нитридных или карбидных фаз d-металла, обладающих металлической связью и непрозрачных в оптическом диапазоне спектра. Для образцов AlON:Mn при увеличении концентрации марганца в оксинитриде алюминия показатель поглощения снижается, что свидетельствует о его вхождении в структуру оксинитрида алюминия и отсутствие фаз нитридов марганца. Оценка ширины оптической щели методом Тауца показала, что при увеличении концентрации допанта имеется тенденция к увеличению ширины запрещенной зоны в оксинитриде алюминия. Сопоставление полученных концентрационных зависимостей и анализа спектров оптического поглощения методом Тауца показало, что существенным фактором, влияющим на ширину запрещенной зоны в оксинитридах алюминия, является относительная концентрация ионов кислорода в структуре AlON. Люминесцентные свойства синтезированных оксинитридов оценивались методом катодолюминесцентной спектроскопии. В спектрах ИКЛ образцов всех серий обнаружены четыре широкие полосы свечения с максимумами при 470, 510, 596 и 760 нм. В образцах серии AlON:Cr дополнительно наблюдается узкая полоса свечения с максимумом при 695 нм, относящаяся к переходам в ионах хрома. В сериях образцов, кроме AlON:Cr и AlON:Mn, наблюдается закономерное снижение интенсивности свечения при увеличении концентрации допантов. Наиболее яркое свечение наблюдается у образцов в сериях AlON:Cr и AlON:Mn при концентрациях примеси порядка 0.2 ат.%. Наблюдаемые четыре полосы свечения в спектрах ИКЛ синтезированных оксинитридов алюминия можно отнести к центрам свечения, связанных с собственными дефектами в виде F-подобных центров в кислородной и азотной подрешетке и с примесными дефектами с участием ионов Mn2+ и Fe2+. Продемонстрирована зависимость интенсивности полосы люминесценции с максимум 596 нм от концентрации ионов Mn2+. В качестве центров поглощения выступают примеси нитридов d-металлов, имеющих металлический тип связи и поглощающие свет в видимом диапазоне спектра. В результате проведенных исследований можно заключить, что добавление d-элементов Ti, V, Fe, Co в основном приводит к ухудшению оптических свойств оксинитридов и тушению собственной люминесценции, что затрудняет исследования собственных дефектов, таких как F-подобных центров в кислородной и азотной подрешетках. Показано, что даже следовые количества неконтролируемых примесей d-элементов в оксинитридах приводят либо к появлению дополнительных полос свечения (Cr, Mn, Fe), либо к ухудшению оптических свойств за счет возможного образования дополнительных фаз нитридов d-металлов. Среди исследованных оксинитридов c d-элементами Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co для создания структур, пригодных для использования в оптоэлектронике, оптике и фотонике представляют интерес образцы с примесью с ионов Cr и Mn из-за наличия интенсивной люминесценции в оранжево-красном и красном диапазоне спектра. Образец AlON:0.2ат.%Mn имеет максимальную интенсивность свечения среди исследованных образцов и может представлять интерес как люминесцентный материал для коррекции спектра свечения светодиодных источников света в красной области.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
За отчетный период синтезированы и определены условия синтеза чистых и легированных ионами Ni, Cu, Zn, Zr, Nb и Mo образцов оксинитрида алюминия AlON с концентрацией активатора от 0 до 5 %. Концентрационная серия с каждым из активаторов состоит из 8 образцов с концентрациями 0.01, 0.05, 0.1, 0.2, 0.5, 1.0, 2.0 и 5.0 ат.%. Всего синтезировано 48 образцов по плану. Синтез проведен методом высокотемпературного обжига смесей порошков оксида алюминия, полученного золь-гель методом из изопропоксида алюминия, нитрида алюминия и оксидов Zr и Nb, либо гидроксида Ni, ацетатов Cu, Zn или молибдата аммония. Выявлено, что легирование оксинитрида алюминия ионами Ni, Cu, Zn, Zr, Nb и Mo даже в малых концентрациях (менее 0.05 ат.%) приводит к существенному снижению появления примеси корунда при синтезе. Данные допанты являются более эффективными легирующими примесями для подавления образования корунда при синтезе γ-AlON вместо часто используемого магния в концентрациях от 0.5 ат. % до 10 ат. %. Однако предел растворимости данных d-элементов в оксинитриде алюминия, как правило, не превышает 0.2-0.5 ат.% относительно алюминия. Обнаружено, что введение примеси циркония при синтезе в AlON в виде оксида циркония ZrO2 в диапазоне концентраций 0.05-0.2 ат.% ионов циркония относительно алюминия приводит к образованию чистого AlON. Данную добавку в виде ZrO2 следует использовать в качестве спекающей при синтезе AlON. Исследованы оптические трансмиссионные и абсорбционные свойства образцов серий AlON:Ni, AlON:Cu, AlON:Zn, AlON:Nb и AlON:Mo. Измерены спектры оптического отражения и поглощения. Среди образцов всех серий, наблюдается увеличение показателя поглощения в области прозрачности оксинитрида алюминия (при длине волны более 300 нм) при увеличении концентрации допанта, что объясняется появлением дополнительных нитридных, либо карбидных фаз d-металла, обладающих металлической связью и непрозрачных в оптическом диапазоне спектра. Оценка ширина оптической щели методом Тауца показала, что при увеличении концентрации допанта имеется тенденция к увеличению ширины оптической щели в оксинитриде алюминия. Однако прямой связи между типом иона и шириной щели выявлено не было. Основное влияние на ширину щели оказывает содержание кислорода. Исследованы люминесцентные свойства серий AlON с ионами Ni, Cu, Zn, Zr, Nb и Mo. В спектрах ИКЛ образцов наблюдается 4 широкие полосы свечения с максимумами при 470, 510, 596 и 760 нм. Для всех образцов интенсивность люминесценции закономерно снижается при увеличении концентрации примеси вплоть до ее полного тушения. Наблюдаемые полосы можно отнести к собственным и примесным центрам свечения. Собственные дефекты представляют собой дефекты типа [V‴Al–3O•N]. Примесные дефекты представляют собой центры свечения с участием неконтролируемой примеси ионов Mn2+ и Fe2+. Элементы Ni, Cu, Zn, Nb и Mo не образуют оптически активных центров свечения в решетке AlON. Добавление d-элементов Ni, Cu, Zn, Zr, Nb и Mo приводит в основном к ухудшению оптических свойств оксинитридов и тушению собственной люминесценции, что затрудняет исследование люминесцентных свойств собственных дефектов, например, таких, как F-подобных центров в кислородной и азотной подрешетках, из-за возможного образования дополнительных фаз нитридов и карбидов d-металлов. Показано, что среди исследованных оксинитридов AlON c d-элементами Ni, Cu, Zn, Zr, Nb и Mo для создания структур, пригодных для использования в оптоэлектронике, оптике и фотонике в качестве матрицы представляют интерес образцы AlON с ионами Zr с концентрацией от 0.05 до 0.2 ат.%, который не ухудшает оптические свойства AlON вследствие способности подавлять образование нежелательных примесных фаз Al2O3 и AlN. Применение остальных исследованных добавок d-элементов для оптических целей не целесообразно из-за образования их нитридов и карбидов в процессе синтеза, существенно ухудшающих оптические свойства AlON.