Оптичні та фотолюмінесцентні властивості двофазного TiO2 композита анатаз-брукіт, легованого іонами рідкісноземельних елементів
For the first time, optical absorption and luminescent properties of nanostructured dual-phase anatase-brookite (A/B) TiO2 doped with Sm3+, Gd3+, Tb3+, Tm3+ and Yb3+ rear earth (RE) ions are reported. The RE-doped TiO2 particles had a spherical shape with a typical size of 10–25 μm in diameter and c...
Gespeichert in:
| Datum: | 2026 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Englisch Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
Publishing house "Academperiodika"
2026
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://ujp.bitp.kiev.ua/index.php/ujp/article/view/2023970 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Ukrainian Journal of Physics |
Institution
Ukrainian Journal of Physics| _version_ | 1863131545901989888 |
|---|---|
| author | Gavrilko, T. Khalyavka, T. Grivel, J.-C. Manuilov, Ye. Shymanovska, V. Chaika, M. Drozd, M. |
| author_facet | Gavrilko, T. Khalyavka, T. Grivel, J.-C. Manuilov, Ye. Shymanovska, V. Chaika, M. Drozd, M. |
| author_sort | Gavrilko, T. |
| baseUrl_str | https://ujp.bitp.kiev.ua/index.php/ujp/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-04-21T08:22:54Z |
| description | For the first time, optical absorption and luminescent properties of nanostructured dual-phase anatase-brookite (A/B) TiO2 doped with Sm3+, Gd3+, Tb3+, Tm3+ and Yb3+ rear earth (RE) ions are reported. The RE-doped TiO2 particles had a spherical shape with a typical size of 10–25 μm in diameter and consisted of grown together nanocrystallite aggregates of 5–8 nm. SEM/EDS analysis confirmed successful incorporation of RE-dopants onto the surface of the TiO2 particles. With FTIR spectroscopy, a formation of RE–Ti–O and RE–OH bonds near the surface defect states was found. UV-Vis-NIR diffuse reflectance spectra exhibited a blue shift of the TiO2 main absorption band maximum for Gd3+ dopant and a red shift of the absorption edge for Yb3+. Several characteristic NIR absorption bands of RE ions were also detected for Sm3+ -, Tm3+ - and Yb3+ -doped TiO2, assigned to their 4f -4f transitions, while Gd3+ - and Tb3+ -doped samples show no absorption in this region. The calculated band gap energies (Eg) of RE-doped TiO2 were 3.02, 2.97, 2.93, 2.92, 2.88 and 2.91 eV, for undoped and doped with Sm3+, Tm3+, Tb3+, Yb3+, and Gd3+ samples, respectively. It was shown that under excitation of A/B TiO2 nanocrystals above the TiO2 band gap energy, the particles exhibited characteristic luminescence corresponding to 4f –4f transitions of RE3+ ions. It was explained that in RE-doped A/B dual-phase TiO2 nanostructures, the regions at A/B junctions or grain boundaries of TiO2 nanocrystals can easily accommodate RE3+ ions and provide for efficient energy transfer from TiO2 to RE3+ ions under appropriate alignment of excited state energy levels of the dopant in TiO2 band gap. Such energy transfer was observed only in samples doped with Sm3+, Tb3+, and Tm3+, while no emission was observed for Yb3+ - and Gd3+ -doped TiO2 due to the higher energy of their excited states. RE-doped A/B dual-phase TiO2 nanostructures may find potential applications in various optical and engineering fields, such as LED, optic systems, communication devices, and heterogeneous photocatalysis. |
| doi_str_mv | 10.15407/ujpe71.4.321 |
| first_indexed | 2026-04-22T01:18:23Z |
| format | Article |
| id | ujp2-article-2023970 |
| institution | Ukrainian Journal of Physics |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | English Ukrainian |
| last_indexed | 2026-04-22T01:18:23Z |
| publishDate | 2026 |
| publisher | Publishing house "Academperiodika" |
| record_format | ojs |
| spelling | ujp2-article-20239702026-04-21T08:22:54Z Optical and Photoluminescence Properties of Rare Earth Ions-Doped Anatase/Brookite Dual-Phase TiO2 Оптичні та фотолюмінесцентні властивості двофазного TiO2 композита анатаз-брукіт, легованого іонами рідкісноземельних елементів Gavrilko, T. Khalyavka, T. Grivel, J.-C. Manuilov, Ye. Shymanovska, V. Chaika, M. Drozd, M. TiO2 нанокристали рiдкiсноземельнi елементи поглинання в UVVis-NIR дiапазонi люмiнесценцiя перенесення енергiї TiO2 nanocrystals rare earth UV-Vis-NIR absorption luminescence energy transfer For the first time, optical absorption and luminescent properties of nanostructured dual-phase anatase-brookite (A/B) TiO2 doped with Sm3+, Gd3+, Tb3+, Tm3+ and Yb3+ rear earth (RE) ions are reported. The RE-doped TiO2 particles had a spherical shape with a typical size of 10–25 μm in diameter and consisted of grown together nanocrystallite aggregates of 5–8 nm. SEM/EDS analysis confirmed successful incorporation of RE-dopants onto the surface of the TiO2 particles. With FTIR spectroscopy, a formation of RE–Ti–O and RE–OH bonds near the surface defect states was found. UV-Vis-NIR diffuse reflectance spectra exhibited a blue shift of the TiO2 main absorption band maximum for Gd3+ dopant and a red shift of the absorption edge for Yb3+. Several characteristic NIR absorption bands of RE ions were also detected for Sm3+ -, Tm3+ - and Yb3+ -doped TiO2, assigned to their 4f -4f transitions, while Gd3+ - and Tb3+ -doped samples show no absorption in this region. The calculated band gap energies (Eg) of RE-doped TiO2 were 3.02, 2.97, 2.93, 2.92, 2.88 and 2.91 eV, for undoped and doped with Sm3+, Tm3+, Tb3+, Yb3+, and Gd3+ samples, respectively. It was shown that under excitation of A/B TiO2 nanocrystals above the TiO2 band gap energy, the particles exhibited characteristic luminescence corresponding to 4f –4f transitions of RE3+ ions. It was explained that in RE-doped A/B dual-phase TiO2 nanostructures, the regions at A/B junctions or grain boundaries of TiO2 nanocrystals can easily accommodate RE3+ ions and provide for efficient energy transfer from TiO2 to RE3+ ions under appropriate alignment of excited state energy levels of the dopant in TiO2 band gap. Such energy transfer was observed only in samples doped with Sm3+, Tb3+, and Tm3+, while no emission was observed for Yb3+ - and Gd3+ -doped TiO2 due to the higher energy of their excited states. RE-doped A/B dual-phase TiO2 nanostructures may find potential applications in various optical and engineering fields, such as LED, optic systems, communication devices, and heterogeneous photocatalysis. Вперше повiдомляється про оптичнi й люмiнесцентнi властивостi наноструктурованого двофазного TiO2 композита анатаз-брукiт (A/Б TiO2), легованого iонами рiдкiсноземельних елементiв (РЗЕ) Sm3+, Gd3+, Tb3+, Tm3+ i Yb3+. Частинки TiO2 , легованi РЗЕ, мали сферичну форму з типовим розмiром 10–25 мкм у дiаметрi й складалися зi зрощених разом агрегатiв нанокристалiтiв розмiром 5–8 нм. SEM/EDS аналiз пiдтвердив успiшне включення легуючих домiшок РЗЕ на поверхню частинок TiO2. За допомогою IЧ-Фур’є-спектроскопiї виявлено утворення зв’язкiв РЗЕ–Ti–O та РЗЕ–OH поблизу поверхневих дефектних станiв. Спектри дифузного вiдбиття в ультрафiолетовому (UV), видимому (Vis) i ближньому iнфрачервоному (NIR) дiапазонах показали короткохвильовe змiщення максимуму основної смуги поглинання TiO2 для легуючої домiшки Gd3+ та довгохвильовe змiщення краю поглинання для Yb3+. Кiлька характерних смуг поглинання iонiв РЗЕ також виявлено для зразкiв TiO2, легованих Sm3+ -, Tm3+ i Yb3+, що вiдповiдають їх переходам 4f –4f, тодi як зразки, легованi Gd3+ та Tb3+, не показують поглинання в цiй областi. Розрахованi енергiї забороненої зони TiO2, легованого РЗЕ, становили Eg = 3,02 еВ для нелегованих зразкiв i Eg = 2,97, 2,93, 2,92, 2,88 та 2,91 еВ для зразкiв, легованих Sm3+, Tm3+, Tb3+, Yb3+ i Gd3+, вiдповiдно. Показано, що пiд час збудження нанокристалiв А/Б TiO2 вище енергiї забороненої зони TiO2 частинки демонструють характерну люмiнесценцiю, яка вiдповiдає переходам 4f –4f iонiв РЗЕ3+. Пояснено, що в двофазних наноструктурах А/Б TiO2, легованих РЗЕ, областi iнтерфейсу А/Б або поверхнi подiлу зерен у нанокристалах TiO2 можуть легко вмiщувати iони РЗЕ3+ i забезпечити ефективну передачу енергiї вiд TiO2 до iонiв РЗЕ3+ за умови вiдповiдного розташування збуджених енергетичних рiвнiв легуючої домiшки в забороненiй зонi TiO2. Таке перенесення енергiї спостерiгалося лише у зразках, легованих Sm3+, Tb3+ i Tm3+, тодi як для TiO2, легованого Yb3+ i Gd3+, випромiнювання не спостерiгалося через вищу енергiю їхнiх збуджених станiв. Двофазнi наноструктури А/Б TiO2, легованi РЗЕ, можуть мати застосування в багатьох оптичних й iнженерних пристроях у рiзних галузях технiки, таких як свiтлодiоди, оптичнi та комунiкацiйнi пристрої, а також у гетерогенному фотокаталiзi. Publishing house "Academperiodika" 2026-04-21 Article Article application/pdf application/pdf https://ujp.bitp.kiev.ua/index.php/ujp/article/view/2023970 10.15407/ujpe71.4.321 Ukrainian Journal of Physics; Vol. 71 No. 4 (2026); 321 Український фізичний журнал; Том 71 № 4 (2026); 321 2071-0194 2071-0186 10.15407/ujpe71.4 en uk https://ujp.bitp.kiev.ua/index.php/ujp/article/view/2023970/3478 https://ujp.bitp.kiev.ua/index.php/ujp/article/view/2023970/3479 Copyright (c) 2026 Bogolyubov Institute for Theoretical Physics, National Academy of Sciences of Ukraine |
| spellingShingle | TiO2 нанокристали рiдкiсноземельнi елементи поглинання в UVVis-NIR дiапазонi люмiнесценцiя перенесення енергiї Gavrilko, T. Khalyavka, T. Grivel, J.-C. Manuilov, Ye. Shymanovska, V. Chaika, M. Drozd, M. Оптичні та фотолюмінесцентні властивості двофазного TiO2 композита анатаз-брукіт, легованого іонами рідкісноземельних елементів |
| title | Оптичні та фотолюмінесцентні властивості двофазного TiO2 композита анатаз-брукіт, легованого іонами рідкісноземельних елементів |
| title_alt | Optical and Photoluminescence Properties of Rare Earth Ions-Doped Anatase/Brookite Dual-Phase TiO2 |
| title_full | Оптичні та фотолюмінесцентні властивості двофазного TiO2 композита анатаз-брукіт, легованого іонами рідкісноземельних елементів |
| title_fullStr | Оптичні та фотолюмінесцентні властивості двофазного TiO2 композита анатаз-брукіт, легованого іонами рідкісноземельних елементів |
| title_full_unstemmed | Оптичні та фотолюмінесцентні властивості двофазного TiO2 композита анатаз-брукіт, легованого іонами рідкісноземельних елементів |
| title_short | Оптичні та фотолюмінесцентні властивості двофазного TiO2 композита анатаз-брукіт, легованого іонами рідкісноземельних елементів |
| title_sort | оптичні та фотолюмінесцентні властивості двофазного tio2 композита анатаз-брукіт, легованого іонами рідкісноземельних елементів |
| topic | TiO2 нанокристали рiдкiсноземельнi елементи поглинання в UVVis-NIR дiапазонi люмiнесценцiя перенесення енергiї |
| topic_facet | TiO2 нанокристали рiдкiсноземельнi елементи поглинання в UVVis-NIR дiапазонi люмiнесценцiя перенесення енергiї TiO2 nanocrystals rare earth UV-Vis-NIR absorption luminescence energy transfer |
| url | https://ujp.bitp.kiev.ua/index.php/ujp/article/view/2023970 |
| work_keys_str_mv | AT gavrilkot opticalandphotoluminescencepropertiesofrareearthionsdopedanatasebrookitedualphasetio2 AT khalyavkat opticalandphotoluminescencepropertiesofrareearthionsdopedanatasebrookitedualphasetio2 AT griveljc opticalandphotoluminescencepropertiesofrareearthionsdopedanatasebrookitedualphasetio2 AT manuilovye opticalandphotoluminescencepropertiesofrareearthionsdopedanatasebrookitedualphasetio2 AT shymanovskav opticalandphotoluminescencepropertiesofrareearthionsdopedanatasebrookitedualphasetio2 AT chaikam opticalandphotoluminescencepropertiesofrareearthionsdopedanatasebrookitedualphasetio2 AT drozdm opticalandphotoluminescencepropertiesofrareearthionsdopedanatasebrookitedualphasetio2 AT gavrilkot optičnítafotolûmínescentnívlastivostídvofaznogotio2kompozitaanatazbrukítlegovanogoíonamirídkísnozemelʹnihelementív AT khalyavkat optičnítafotolûmínescentnívlastivostídvofaznogotio2kompozitaanatazbrukítlegovanogoíonamirídkísnozemelʹnihelementív AT griveljc optičnítafotolûmínescentnívlastivostídvofaznogotio2kompozitaanatazbrukítlegovanogoíonamirídkísnozemelʹnihelementív AT manuilovye optičnítafotolûmínescentnívlastivostídvofaznogotio2kompozitaanatazbrukítlegovanogoíonamirídkísnozemelʹnihelementív AT shymanovskav optičnítafotolûmínescentnívlastivostídvofaznogotio2kompozitaanatazbrukítlegovanogoíonamirídkísnozemelʹnihelementív AT chaikam optičnítafotolûmínescentnívlastivostídvofaznogotio2kompozitaanatazbrukítlegovanogoíonamirídkísnozemelʹnihelementív AT drozdm optičnítafotolûmínescentnívlastivostídvofaznogotio2kompozitaanatazbrukítlegovanogoíonamirídkísnozemelʹnihelementív |