Ukrainian Journal of Physical Optics 

Home page

Other articles 

in this issue
Excitation and erasure of photochromic effect in the Bi12SiO20 crystals doped with Al, Ga and Sn 

Dyachenko A. A. and Panchenko T. V. 

Download this article

Abstract. We present the results of experimental investigations of the processes of excitation and erasure of photochromic effect (PCE) in undoped Bi12SiO20 (BSO) crystals and the BSO crystals doped with Al, Ga and Sn ions (BSO:Al, BSO:Ga and BSO:Sn, respectively). The PCE spectra, the spectra of optical erasure of the PCE (OE PCE), as well as the PCE excitation and PCE erasure functions are obtained. It is demonstrated that the sets of individual components of the PCE spectra for the doped crystals are very similar for different impurity ions, though the intensities of those components are different. Doping of BSO manifests itself in weakening PCE in the blue-green region of the spectrum and its strengthening in the spectral region given by hν = 0.5÷2.0 eV. The OE PCE is almost complete and the components that cannot be erased are observed only for the BSO:Sn crystals. We have evidenced that a limiting photon energy (hν* ≈ 2 eV) exists, for which the photoexcitation leads to the PCE for the crystals staying in their initial stationary state, but erases the PCE if the crystals passed into the state with the maximal saturated PCE. 

Keywords: Bi12SiO20 crystals, doping with Al, Ga and Sn ions, photochromic effect, optical erasure of photochromic effect

PACS: 42.65.Hw, 42.70.Nq, 78.40.Fy, 78.40.Ha
UDC: 535.212
Ukr. J. Phys. Opt. 16 127-133
doi: 10.3116/16091833/16/3/127/2015
Received: 25.05.2015

Анотація. У роботі представлено результати експериментального дослідження процесів збудження і стирання фотохромного ефекту (ФХE) в нелегованих кристалах Bi12SiO20 (BSO) і кристалах BSO, легованих іонами Al, Ga та Sn (BSO:Al, BSO:Ga, BSO:Sn, відповідно). Отримано спектри ФХЕ і оптичні спектри стирання ФХЕ (OС ФХE), а також функції збудження і стирання ФХЕ. Показано, що набір спектральних компонент ФХЕ для всіх легованих кристалів майже незмінний, а різні домішкові йони відрізняються лише за співвідношеннями відповідних інтенсивностей. Легування кристалів BSO виявляється в послабленні ФХЕ в зелено-голубій області спектру і його посиленні в області hν = 0.5÷2.0 еВ. OС ФХE практично довершений – лише для кристалів BSO:Sn спостерігаємо компоненти, які не вдається стерти. Встановлено існування граничної енергії фотонів hν* ≈ 2 еВ, для якої фотозбудження приводить до появи ФХE в кристалах зі стаціонарними вихідними станами, але до стирання ФХЕ в кристалах, які перебувають у стані максимального насичення ФХЕ.

  1. Petrov M P, Stepanov S I and Khomenko A V. Photosensitive electro-optic medium in holography and optical data processing. Leningrad: Nauka (1983).
  2. Alexandrov K S, Anistratov A T and Grehov Yu N, 1980. Optical properties of Bi12GeO20 doped with aluminium and boron. Avtometriya. 1: 99–101.
  3. Panchenko T V and Kudzin A Yu, 1983. Doping effect on the properties of Bi12SiO20 monocrystals. Izv AN SSSR, Ser. Neorg. Mater. 19: 1144–1147.
  4. Grabmaier B and Oberschmid R, 1986. Properties of pure and doped Bi12GeO20 and Bi12SiO20 crystals. Phys. Stat. Solidi (a). 96: 199–210. doi:10.1002/pssa.2210960124
  5. Foldvari I, Halliburton L and Edwards G, 1991. Photo-induced defects in pure and Al-doped Bi12GeO20 single crystals. Sol. State Commun. 77: 181–188. doi:10.1016/0038-1098(91)90329-T
  6. Gusev V A, Demenko S I, Detinenko V A and Malinovsky V K, 1984. PRIZ- type space-time light modulator with an increased photosensitivity. Avtometriya. 1: 108–109.
  7. Ivanov A V, Kopulov Yu A, Kravchenko V B and Kucha V V, 1984. The influence of doping sillenite crystals on the characteristic of the electron-beam space-time light modulators. Techn. Fiz. 54: 2416–2418.
  8. Katsavets N I, Leonov E I, Orlov V M and Shadrin E B, 1983. Holographic recording in the doped silicate and germanete bismuth. Pisma Techn. Fiz. 9: 424–428.
  9. Wardzynski W and Szymzak H, 1984. The center of orthorhombic symmetry in chromium doped Bi12GeO20 and Bi12SiO20 single crystals. J. Phys. Chem. Sol. 45: 887–896. doi:10.1016/0022-3697(84)90129-X
  10. Wardzynski W, Szymzak H, Borowiec M and Pataj K, 1985. Ling-induced charge transfer processes in Mn-doped Bi12GeO20 and Bi12SiO20 single crystals. J. Phys. Chem. Sol. 46: 1117–1129. doi:10.1016/0022-3697(85)90140-4
  11. Burkov V I, Egorysheva A V and Kargin Yu F, 2003. Electronic structure and optical spectra of the tetrahedral [MO4]n- - complices of the 3d- elements. J. Inorg. Chem. 48: 620–658.
  12. Panchenko T V and Strelets K Yu, 2008. Photochromism in Cu-and Ag-doped Bi12SiO20 crys-tals. Phys.Sol.State. 50: 1900–1907. doi:10.1134/S1063783408100193
  13. Panchenko T V, 1998. Thermooptical investigation of deep levels in doped Bi12 SiO20 crys-tals. Phys.Sol.State. 40: 415–419. doi:10.1134/1.1130335
  14. Panchenko T V and Dyachenko A A, 2015. Optical absorption of Bi12SiO20:Sn crystals. Func. Mater. 22: 61–68.
  15. Radaev S F and Simonov V I, 1992. Sillenite structure and atomic mechanism of substitution therein. Kristallografiya. 37: 914–944. 
  16. Briat B, Reyher H, Hamri A, Romanov N, Launay J and Ramaz F, 1995. Magnetic circular dichroism and the optical detection of magnetic resonance for the Bi antisite defect in Bi12GeO20. J. Phys.: Condens. Matter. 7: 6952–6957. doi:10.1088/0953-8984/7/34/017
  17. Glebovsky D N, Krashennikov А A, Bedrina М E and Zalikma P I, 1981. To problem approximate division of the complex spectral contour into individual components. Zhurn. Prikl. Spektrosk. 35: 513–516.
  18. Briat B, Panchenko T V, Bou Rjeily H and Hamri A, 1998. Optical and magneto-optical char-acterization of the Al acceptor levtls in Bi12SiO20. J. Opt. Soc. Amer. B 15: 2147–2153. doi:10.1364/JOSAB.15.002147
  19. Panchenko T V and Dyachenko A A. Modification of photochromic properties in sillenite crystals by Al, Ga, Sn ions doping. In: VIth International Research and Practice Conference Innovative Development of the Physical Sciences. Abstract book (2015). pp. 23–26.
(c) Ukrainian Journal of Physical Optics