Cr,In共掺杂MgGa2O4小尺寸近红外长余辉纳米颗粒的制备及发光性能

doi:10.7503/cjcu20210850

摘要/Abstract

摘要：

采用乙二醇辅助共沉淀法制备了小尺寸Cr,In共掺杂MgGa₂O₄(MGO∶Cr, In)近红外长余辉发光纳米粒子(Persistent luminescence nanoparticles, PLNPs), 并考察了Cr, In共掺杂及煅烧温度对MGO晶体结构、余辉发光性质和尺寸的影响. 结果表明, 最优Cr, In共掺杂浓度分别为0.3%和0.02%, MGO∶Cr, In晶体属于Fd3m空间群, Cr, In共掺杂对纳米颗粒的结构无影响, 平均粒径为(8.61±2.23) nm, 分散性良好, 最佳煅烧温度为700 ℃. 并且, In掺杂可有效延长其余辉发光寿命, 平均发光寿命(τ_av)从49.33 s增大至52.89 s; 荧光量子产率增高至44.9%; 活化能E_a为(0.36±0.04) eV, 具有良好的热稳定性; 陷阱深度为0.696 eV. 此外, 该PLNPs分别在260 nm、410 nm和600 nm处有激发峰，表明UV光、蓝绿光以及红光皆可实现对其的激发，发射波长皆位于705 nm处，属于Cr³⁺的²E(²G)→⁴A₂(⁴F)跃迁. 该PLNPs在红色LED灯、光学储器件以及生物医学等领域具有巨大潜在应用价值.

关键词: 共沉淀法, 小尺寸, Cr, In共掺杂, 长余辉纳米颗粒

Abstract:

Cr， In co-doped MgGa₂O₄ persistent luminescence nanoparticles（PLNPs） with small-size were prepared by ethylene glycol assisted co-precipitation. The influence of Cr，In co-doping and calcination temperature on the MGO crystal structure， afterglow luminescence properties and size were further investigated. The results showed that the optimal Cr，In co-doped concentrations were 0.3% and 0.02%， respectively， and the samples belonged to Fd3m space group， Cr，In co-doping had no effect on the structure of the samples. The PLNPs had a good water dispersibility with an average particle size of （8.61±2.23） nm and the optimum calcination temperature of 700 ℃. Moreover， the afterglow decay life was prolonged by In doping， and the average luminescence life（τ_av） of the afterglow decay fitting curves increased from 49.33 s to 52.89 s with the QY increased to 44.9%. The activation energy（E_a） was （0.36±0.04） eV. The PLNPs had a good thermal stability， and the trap depth was 0.696 eV. Moreover， the PLNPs had three excitation bands at 260， 410 and 600 nm， respectively， which indicated that UV light， blue-green light and red light could be excited， and the emission wavelength was all at 705 nm， belonged to the ²E（²G）→⁴A₂（⁴F） transition of Cr³⁺. Therefore， the PLNPs had a great potential application value in red LED lamps， optical storage devices and biomedical fields.

Key words: Co-precipitation, Small-size, Cr, In co-doping, Persistent luminescence nanoparticles

中图分类号:

O614

TrendMD:

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图/表 18

Fig.1 XRD patterns of MGO∶xCr(x=0.2%—0.5%)(A) and MGO∶0.3%Cr, yIn(y=0—0.025%)(B) PLNPs

Fig.2 Emission spectra(A) and afterglow decay curves(B) of MGO∶xCr, yIn(x=0.2%—0.5%, y=0)

Fig.3 Emission spectra of MGO∶0.3%Cr, yIn(y=0—0.025%)

Fig.4 TEM images(A, C, E, G, I) and particle size statistics(B, D, F, H, J) of MGO∶0.3%Cr, yIn(y=0~0.025%)（A， B） y=0；（C，D） y=0.01%；（E， F） y=0.015%；（G， H） y=0.02%；（I， J） y=0.025%.

Fig.5 CIE color coordinates of MGO∶0.3%Cr(A) and MGO∶0.3%Cr, 0.02%In(B) PLNPs

Fig.6 Excitation spectrum(A) and emission spectra with different excitation wavelengths(B) of MGO∶0.3%Cr, 0.02%In

Table 1 Decay parameters of PLNPs afterglow decay curve fitting

Sample	τ₁/s	τ₂/s	τ₃/s	τ_av/s
MGO∶0.3%Cr	12.08	36.32	134.27	49.33
MGO∶0.3%Cr，0.02%In	10.61	43.28	220.62	52.89

Fig.7 Afterglow decay curves of MGO∶0.3%Cr(a) and MGO∶0.3%Cr, 0.02%In(b)Inset is the afterglow fitting curve of MGO∶0.3%Cr， 0.02%In.

Fig.8 QY test of MGO∶0.3%Cr(A) and MGO∶0.3%Cr, 0.02%In(B)

Fig.9 TEM image(A) and statistical analysis of particle size distribution(inset), HRTEM image(B), EDS spectrum(C), TEM image of the chosen crystal particle for element mapping(D) and EDS element mappings(E—J) of MGO∶0.3%Cr, 0.02%In

Table 2 Results of the EDS analysis and ICP analysis

Element	w^a （%）	w^a （%） Error value	w^b （%）
O	29.18	0.40	30.7324
Mg	10.53	0.24	9.0339
Cr	0.14	0.07	0.1429
Ga	59.95	0.42	60.0706
In	0.20	0.14	0.0202
Total：	100.00		100.00

Fig.10 XPS spectra of MGO∶0.3%Cr, 0.02%In（A） XPS survey spectrum；（B） C1s；（C） O1s；（D） Ga2p；（E） Mg1s；（F） Cr2p；（G） In3d .

Fig.11 XRD patterns of MGO∶0.3%Cr, 0.02%In with different calcination temperatures

Fig.12 Emission spectra(A) and the afterglow decay curves(B) of MGO∶0.3%Cr, 0.02%In PLNPs at different calcination temperatures

Fig.13 TEM images(A, C, E) and statistical analysis of particle size(B, D, F) of MGO∶0.3%Cr, 0.02%In with different calcination temperatures(A, B) 600 ℃; (C, D) 700 ℃; (E, F) 800 ℃.

Fig.14 Emission spectra(25—200 ℃)(A), the contour graph of thermal quenching behavior(B), temperature?dependent relative intensity(C) and the functional relationship of ln[(I0/IT)-1] versus 1/KT and the fitting curve(D) of MGO∶0.3%Cr, 0.02%In

Fig.15 TL?3D spectrum(A) and contour plot(B) of MGO∶0.3%Cr, 0.02%In

Fig.16 TL spectrum of MGO∶0.3%Cr, 0.02%In

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Cr,In共掺杂MgGa₂O₄小尺寸近红外长余辉纳米颗粒的制备及发光性能

Synthesis and Luminescence Properties of Cr，In Co-doped Small Size MgGa₂O₄ Near-infrared Persistent Luminescence Nanoparticles

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