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

Acknowledgments

This work was financially supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 51562014 and 51262009) and the Natural Science Foundation of Jiangxi, China (Grant Nos. 20133ACB20002 and 20142BAB216009), and partially sponsored by Colleges and Universities “Advanced Ceramics” Scientific and Technological Innovation Team of Jiangxi Province.

RIGHTS & PERMISSIONS

2014 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg