Photoluminescence and electrical properties of Eu³⁺-doped Na_0.5Bi_4.5Ti₄O₁₅-based ferroelectrics under blue light excitation

Abstract

Na_0.5Bi_4.5--xEu_xTi₄O₁₅ (NBT--xEu³⁺) ceramics with x=0, 0.05, 0.10, 0.15, 0.20, 0.25, 0.30 and 0.40 were prepared by conventional ceramics processing. NBT--0.25Eu³⁺ ceramics show the strongest red and orange emissions corresponding to the ⁵D₀ → ⁷F₂ (617 nm) and ⁵D₀ → ⁷F₁ (596 nm) transitions, respectively. The strongest excitation band around 465 nm matches well with the emission wavelength of commercial InGaN-based blue LED chip, indicating that Eu³⁺-doped NBT ceramics may be used as potential environmental friendly red-orange phosphor for W-LEDs application. As an inherent ferroelectric and piezoelectric material, the electrical properties of this potentially multifunctional electro-optical material have been also studied. The introduction of Eu³⁺ distinctly increased the Curie temperature (T_C) of NBT--xEu³⁺ ceramics from 640°C to 711°C as x ranges from 0 to 0.40. For higher temperature applications, the electrical conductivity was also investigated. The conduction of charge carriers in high-temperature range originates from the conducting electrons from the ionization of oxygen vacancies. High T_C and low tanδ makes Eu³⁺-doped NBT ceramic also suitable for high temperature piezoelectric sensor applications and electro-optical integration.

Keywords

Aurivillius bismuth layered structure / photoluminescence / electrical properties / multifunctional materials

References

[1] Kreisel J, Alexe M, Thomas P A. A photoferroelectric material is more than the sum of its parts. Nature Materials, 2012, 11(4): 260

[2] Hwang S C, Lynch C S, McMeeking R M. Ferroelectric/ferroelastic interactions and a polarization switching model. Acta Metallurgica et Materialia, 1995, 43(5): 2073–2084

[3] Spaldin N A, Fiebig M. The renaissance of magnetoelectric multiferroics. Science, 2005, 309(5733): 391–392

[4] Lu H, Bark C W, Ojos D E, . Mechanical writing of ferroelectric polarization. Science, 2012, 336(6077): 59–61

[5] Wang X S, Xu C N, Yamada H, . Elecro-mechano-optical conversions in Pr³⁺-doped BaTiO₃–CaTiO₃ ceramics. Advanced Materials, 2005, 17(10): 1254–1258

[6] Jaffe H, Berlincourt D A. Piezoelectric transducer materials. Proceedings of the IEEE, 1965, 53(10): 1372–1386

[7] Aurivillius B. Mixed bismuth oxides with layer lattices. Arkiv för Kemi, 1949, 1: 463–480

[8] Park B H, Kang B S, Bu S D, . Lanthanum-substituted bismuth titanate for use in non-volatile memories. Nature, 1999, 401(6754): 682–684

[9] Peng D F, Wang X S, Xu C N, . Bright upconversion emission, increased T_c, enhanced ferroelectric and piezoelectric properties in Er-doped CaBi₄Ti₄O₁₅ multifunctional ferroelectric oxides. Journal of the American Ceramic Society, 2013, 96(1): 184–190

[10] Bokolia R, Thakur O P, Rai V K, . Dielectric, ferroelectric and photoluminescence properties of Er³⁺-doped Bi₄Ti₃O₁₂ ferroelectric ceramics. Ceramics International, 2015, 41(4): 6055–6066

[11] Chen H Z, Yang B, Sun Y, . Investigation on upconversion photoluminescence of Bi₃TiNbO₉:Er³⁺:Yb³⁺ thin films. Journal of Luminescence, 2011, 131(12): 2574–2578

[12] Ma Q, Zhou Y Y, Lu M K, . Synthesis and luminescence of pure and Eu³⁺-activated Aurivillius-type Bi₃TiNbO₉ nanophosphors. Materials Chemistry and Physics, 2009, 116(2–3): 315–318

[13] Volanti D P, Rosa L V, Paris E C, . The role of the Eu³⁺ ions in structure and photoluminescence properties of SrBi₂Nb₂O₉ powders. Optical Materials, 2009, 31(6): 995–999

[14] Wei T, Zhao C Z, Zhou Q J, . Bright green upconversion emission and enhanced ferroelectric polarization in Sr_1−1.5xEr_xBi₂Nb₂O₉. Optical Materials, 2014, 36(7): 1209–1212

[15] Li J L, Deng C Y, Cui R R. Photoluminescence properties of CaBi₂Ta₂O₉:RE³⁺ (RE= Sm, Tb, and Tm) phosphors. Optics Communications, 2014, 326: 6–9

[16] Cui R R, Deng C Y, Gong X Y, . Luminescent performance of rare earths doped CaBi₂Ta₂O₉ phosphor. Journal of Rare Earths, 2013, 31(6): 546–550

[17] Sailaja S, Reddy B S. Synthesis, structural and photoluminescence properties of RE³⁺ (RE= Pr, Tm): (MgCa)₂Bi₄Ti₅O₂₀ ceramics. Ferroelectrics (Letters Section), 2011, 38(4–6): 94–100

[18] Sun H Q, Zhang Q W, Wang X S, . Bi_0.5Na_0.5TiO₃:Eu³⁺: An intense blue converting red phosphor. Materials Letters, 2014, 131: 164–166

[19] Francis L T, Rao P P, Thomas M, . New orange-red emitting phosphor La₃NbO₇:Eu³⁺ under blue excitation. Materials Letters, 2012, 81: 142–144

[20] Wei T, Zhao C Z, Li C P, . Photoluminescence and ferroelectric properties in Eu-doped Bi₄Ti₃O₁₂–SrBi₄Ti₄O₁₅ intergrowth ferroelectric ceramics. Journal of Alloys and Compounds, 2013, 577: 728–733

[21] Chen D Q, Yu Y L, Huang P, . Color-tunable luminescence of Eu³⁺ in LaF₃ embedded nanocomposite for light emitting diode. Acta Materialia, 2010, 58(8): 3035–3041

[22] Neeraj S, Kijima N, Cheetham A K. Novel red phosphors for solid state lighting; the system Bi_xLn_1−xVO₄; Eu³⁺/Sm³⁺ (Ln= Y, Gd). Solid State Communications, 2004, 131(1): 65–69

[23] Chan T S, Kang C C, Liu R S, . Combinatorial study of the optimization of Y₂O₃:Bi,Eu red phosphors. Journal of Combinatorial Chemistry, 2007, 9(3): 343–346

[24] Kuo T W, Huang C H, Chen T M. Novel yellowish-orange Sr₈Al₁₂O₂₄S₂:Eu²⁺ phosphor for application in blue light-emitting diode based white LED. Optics Express, 2010, 18(S2): A231–A236

[25] Ruan K B, Wu C H, Zhou H, . Optical characteristics of Bi_4−xEu_xTi₃O₁₂ ferroelectric thin films on fused silica substrates. Journal of Electroceramics, 2012, 29(1): 37–41

[26] Cui R R, Deng C Y, Gong X Y, . Luminescence properties of Eu³⁺ doped CaBi₂Ta₂O₉ bismuth layered-structure ferroelectrics. Materials Research Bulletin, 2013, 48(10): 4301–4306

[27] Villafuerte-Castrejón M E, Camacho-Alanís F, González F, . Luminescence and structural study of Bi_4−xEu_xTi₃O₁₂ solid solution. Journal of the European Ceramic Society, 2007, 27(2–3): 545–549

[28] Ofelt G S. Intensities of crystal spectra of rare-earth ions. Journal of Chemical Physics, 1962, 37(3): 511

[29] Shimakawa Y, Kubo Y, Nakagawa Y, . Crystal structure and ferroelectric properties of ABi₂Ta₂O₉ (A= Ca, Sr, and Ba). Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 2000, 61(10): 6559–6564

[30] Kennedy B J, Zhou Q D, Ismunandar, . Cation disorder and phase transitions in the four-layer ferroelectric Aurivillius phases ABi₄Ti₄O₁₅ (A= Ca, Sr, Ba, Pb). Journal of Solid State Chemistry, 2008, 181(6): 1377–1386

[31] Du H L, Shi X. Dielectric and piezoelectric properties of barium-modified Aurivillius-type Na_0.5Bi_4.5Ti₄O₁₅. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2011, 72(11): 1279–1283

[32] Ang C, Yu Z, Cross L E. Oxygen-vacancy-related low-frequency dielectric relaxation and electrical conduction in Bi:SrTiO₃. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 2000, 62(1): 228–236

[33] Dash U, Sahoo S, Chaudhuri P, Electrical properties of bulk and nano Li₂TiO₃ ceramics: A comparative study. Journal of Advanced Ceramics, 2014, 3(2): 89–97

[34] Rehman F, Li J B, Dou Y K, . Dielectric relaxations and electrical properties of Aurivillius Bi_3.5La_0.5Ti₂Fe_0.5Nb_0.5O₁₂ Ceramics. Journal of Alloys and compounds, 2016, 654: 315–320

[35] Ehara S, Muramatsu K, Shimazu M, . Dielectric properties of Bi₄Ti₃O₁₂ below the Curie temperature. Japanese Journal of Applied Physics, 1981, 20(5): 877–881

[36] Zhou Z Y, Dong X L, Yan H X, . Doping effects on the electrical conductivity of bismuth layered Bi₃TiNbO₉-based ceramics. Journal of Applied Physics, 2006, 100(4): 044112

[37] Shi K, Peng L, Li M J, . Structural distortion, phonon behavior and electronic transition of Aurivillius layered ferroelectric CaBi₂Nb_2−xW_xO₉ ceramics. Journal of Alloys and Compounds, 2015, 653: 168–174

[38] Rafiq M A, Rafiq M N, Saravanan K V. Dielectric and impedance spectroscopic studies of lead-free barium–calcium–zirconium–titanium oxide ceramics. Ceramics International, 2015, 41(9): 11436–11444

Rights & permissions

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg