Luminescence and Covalency in Ytterbium-Doped CrX3(X = Cl, Br, I) van der Waals Compounds

化学 光致发光 发光 光激发 价(化学) 范德瓦尔斯力 结晶学 原子物理学 分析化学(期刊) 激发态 材料科学 物理 光电子学 有机化学 色谱法 分子
作者
Thom J. Snoeren,Kimo Pressler,Kyle T. Kluherz,Kelly M. Walsh,James J. De Yoreo,Daniel R. Gamelin
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (31): 17427-17434
标识
DOI:10.1021/jacs.3c05989
摘要

The layered 2D van der Waals ferromagnets CrX3 (X = Cl, Br, I) show broad d-d photoluminescence (PL). Here we report preparation, structural characterization, and spectroscopic studies of all three CrX3 compounds doped with the optical impurity, Yb3+. EXAFS measurements show very similar Cr K-edge and Yb L-edge data for each doped compound, and good fits of the latter are obtained for structures having Yb3+ occupying substitutional octahedral sites. Yb-X bond lengths are systematically ∼0.25 Å larger than their Cr-X counterparts. 4 K PL measurements show efficient sensitization of Yb3+ luminescence upon photoexcitation into lattice absorption bands [Cr3+ d-d and ligand-to-metal charge-transfer (LMCT)] for all three compounds, converting their nondescript broadband d-d PL into sharp f-f emission. The PL of CrCl3:Yb3+ and CrBr3:Yb3+ occurs at energies typical for [YbX6]3- with these halides, with PL decay times of 0.5-1.0 ms at 4 K, but CrI3:Yb3+ displays anomalously low-energy Yb3+ emission and an unusually short PL decay time of only 8 μs at 4 K. Data analysis and angular overlap model (AOM) calculations show that Yb3+ in CrI3:Yb3+ has a lower spin-orbit splitting energy than reported for any other Yb3+ in any other compound. We attribute these observations to exceptionally high covalency of the Yb3+ f orbitals in CrI3:Yb3+ stemming primarily from the shallow valence-shell ionization potentials of the iodide anions.
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