王鍇, 嚴(yán)麗萍, 邵康, 張聰, 潘再法
硅鉻共摻雜尖晶石長余輝材料Zn1+xGa2–2xSiO4:Cr3+中近紅外余輝的增強(qiáng)及陷阱分布分析
王鍇, 嚴(yán)麗萍, 邵康, 張聰, 潘再法
(浙江工業(yè)大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院, 杭州 310014)
本論文基于硅鉻共摻雜, 合成得到了一種尖晶石長余輝材料Zn1+xGa2–2xSiO4:Cr3+。實(shí)驗(yàn)采用高溫固相法, 按照設(shè)計(jì)的化學(xué)計(jì)量比精確稱量ZnO、Ga2O3、SiO2和Cr2O3等原料, 制備了一系列硅鉻共摻雜的鎵酸鋅尖晶石長余輝材料, 其化學(xué)式為Zn1+xGa2–2xSiO4:Cr3+(=0, 0.1, 0.15, 0.2, 0.5, 1)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 采用硅鉻共摻雜方式后, 引入合適濃度的硅離子可有效改善余輝性能。當(dāng)=0.2時(shí), 樣品余輝強(qiáng)度最佳, 相比ZnGa2O4:Cr3+增強(qiáng)了3倍, 并且余輝持續(xù)時(shí)間長達(dá)24 h。進(jìn)一步的陷阱分布分析表明, 在ZnGa2O4基質(zhì)基礎(chǔ)上引入硅摻雜, 可有效調(diào)控不同陷阱深度的分布。即在豐富的反位缺陷基礎(chǔ)上, 硅的共摻雜可增加不等價(jià)替換缺陷和填隙缺陷等, 并可調(diào)控禁帶寬度及缺陷形成, 從而實(shí)現(xiàn)改善余輝性能的目的。
Zn1+xGa2–2xSiO4:Cr3+; 長余輝; 不等價(jià)摻雜; 陷阱分布
長余輝熒光粉(LPPs)因其獨(dú)特的儲(chǔ)光能力, 被廣泛應(yīng)用于安全標(biāo)牌, 表盤顯示和生物成像等。近紅外長余輝熒光粉(NIR-LPPs)不但可避免使用原位激發(fā)光, 而且在生物組織中具有很好的穿透性, 因而在生物成像領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。這種獨(dú)特的免原位激發(fā)近紅外光, 不僅可以避免外部激發(fā)光對組織造成損傷, 還可以減少生物組織的自體熒光干擾。同時(shí), NIR-LPPs具有強(qiáng)組織穿透力, 特別適用于深層組織成像[4]。在目前已知的材料中, Cr3+作為激活劑的長余輝熒光粉是最理想的近紅外余輝發(fā)光材料。因?yàn)檫@種材料中的Cr3+具有3d3電子結(jié)構(gòu), 它位于700 nm左右的2E-4A2躍遷可獲得窄帶發(fā)射, 或650~1000 nm左右的4T2-4A2躍遷的寬帶發(fā)射[5-7]。值得指出的是, 多數(shù)Cr3+激活的長余輝熒光粉都是含鎵化合物, 因?yàn)槠渚Ц裰械你t離子與鎵離子八面體配位時(shí)具有很好的價(jià)態(tài)和半徑匹配, 例如處在MgGa2O4:Cr3+、Ca3Ga2Ge3O12:Cr3+[8-9]和La3Ga5GeO14:Cr3+, Zn2+[10]等。另一方面尖晶石材料ZnGa2O4具有合適的帶寬和豐富的反位缺陷[11]、突出的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn), 是Cr3+激活近紅外長余輝發(fā)光材料最重要的基質(zhì)[4]。
Bessiere等[4]在2011年報(bào)道了發(fā)射峰位于695 nm的ZnGa2O4:Cr3+近紅外長余輝材料, 之后該材料被證實(shí)可用于生物體內(nèi)成像。在2012年, Pan等[12]采用Zn3Ga2Ge2O10作為一種新基質(zhì), 成功制備得到了一種余輝時(shí)間在360 h以上的超長近紅外長余輝材料。2014年Seguin等[13]報(bào)道了納米尺度的ZnGa2O4:Cr3+紅光長余輝材料, 該納米探針可以通過高穿透性的橙色/紅色二極管在生物體內(nèi)多次重復(fù)充能, 從而實(shí)現(xiàn)多次循環(huán)活體成像。然而, ZnGa2O4:Cr3+的余輝性能仍遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn), 因此有大量研究者通過非等價(jià)替換、稀土離子共摻雜和尖晶石基質(zhì)晶格修飾等手段對陷阱進(jìn)行調(diào)控, 以便進(jìn)一步提高材料的余輝性能。例如, Mathieu等[14]通過鍺或錫的摻雜得到Zn1+xGa2–2x(Ge/Sn)O4(0≤≤0.5)材料, 這種材料因?yàn)閾诫s的鍺、錫與鎵進(jìn)行非等價(jià)替換, 產(chǎn)生新缺陷, 使得該材料的余輝性能得到了顯著改善。而Yan等[15]通過硼、鉻共摻雜的方式得到新的ZnGa2O4長余輝納米材料, 共摻雜的方式在ZnGa2O4中產(chǎn)生了新缺陷, 進(jìn)而提升材料的余輝性能。
本研究采用硅鉻共摻雜, 以高溫固相反應(yīng)合成獲得新的Zn1+xGa2–2xSiO4:Cr3+尖晶石固溶體長余輝發(fā)光材料。硅的共摻雜可增加不等價(jià)替換缺陷和填隙缺陷等, 以調(diào)控基質(zhì)中的缺陷分布, 從而達(dá)到改善余輝性能的目的。通過X射線衍射(XRD)和透射電鏡(TEM)對該材料進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征, 利用熒光光譜和熱釋曲線研究了其余輝性能及缺陷分布, 進(jìn)而討論了硅共摻雜尖晶石中可能的缺陷類型及余輝增強(qiáng)的機(jī)制。
采用高溫固相反應(yīng)法制備了一系列硅鉻共摻雜的鎵酸鋅尖晶石長余輝材料(ZGSiO系列樣品), 具體化學(xué)組成如表1所示。鉻離子摻雜后主要替換與之離子半徑相近的鎵離子格位, 表中鉻離子的摻雜量為相對于鎵的1%。
首先, 按照設(shè)計(jì)的化學(xué)計(jì)量比精確稱量ZnO、Ga2O3、SiO2和Cr2O3等原料, 并將這些原料在瑪瑙研缽充分研磨。然后將得到的前驅(qū)體置于剛玉坩堝中,并將剛玉坩堝放置于高溫馬弗爐中, 在1350 ℃下焙燒6 h。反應(yīng)結(jié)束后, 待爐中溫度冷卻至室溫, 將獲得的熒光粉研磨成粉末, 保存于避光干燥器中, 用于進(jìn)一步測試表征。
實(shí)驗(yàn)采用荷蘭PNAlytical 公司生產(chǎn)的Pert PRO型X射線衍射儀對樣品進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)表征, 陽極金屬為Cu靶, X射線掃描步長為0.0167 nm, 陽極電壓為40 kV, 電流40 mA, 掃描角度10°~80°。采用場發(fā)射透射電子顯微鏡(Tecnai G2 F30 S-Twin, 荷蘭Philips-FEI 公司)進(jìn)行微區(qū)形貌和微結(jié)構(gòu)分析, 加速電壓為300 kV。采用島津UV-2700 UV-Vis-NIR光譜儀測量樣品漫反射吸收光譜。光致發(fā)光光譜(PL)、光致激發(fā)光譜(PLE)和余輝衰減曲線均用Fluoromax-4P (FM-4P, JOBIN YVON)測試獲得。熱釋曲線(TL)是在FM-4P熒光儀的樣品倉中使用變溫加熱裝置(TAP-02, Orient Koji Scientific公司)測試獲得。
對實(shí)驗(yàn)所制備的一系列硅鉻共摻雜的鎵酸鋅尖晶石Zn1+xGa2–2xSiO4: Cr3+(=0, 0.1, 0.15, 0.2, 0.5, 1)進(jìn)行了XRD表征。從XRD結(jié)果可以看出, 摻雜量<0.2時(shí), ZGSiO系列樣品的所有主要衍射峰與標(biāo)準(zhǔn)粉末衍射卡片ZnGa2O4(PDF No.086-0413)一致。即表明ZGO1-ZGSiO5樣品的主相均是尖晶石相。XRD譜圖中顯示了尖銳的窄峰, 表明樣品具有良好的結(jié)晶度。然而, 隨著硅含量的增加, 第二相增多[16]且趨向于Zn2SiO4(PDF No.070-1235)。這是因?yàn)镾i4+的離子半徑(0.054 nm, CN=VI; 0.04 nm, CN=IV)小于Ga3+(0.076 nm, CN=VI)和Zn2+(0.088 nm, CN=IV)。若以不等價(jià)取代的原則, Si4+將以Si4+-Zn2+離子對的形式取代兩個(gè)Ga3+位點(diǎn), 其固溶度有限, 容易出現(xiàn)第二相Zn2SiO4。其中Si4+主要占據(jù)晶格中的六配位八面體格位, 這種取代將引入更豐富類型的缺陷, 例如不等價(jià)取代缺陷SiGa°。另外, Si4+的離子半徑遠(yuǎn)小于Ga3+和Zn2+, 因此Si4+還可能以填隙的形式進(jìn)入晶格, 產(chǎn)生填隙缺陷Sii°。
表1 硅鉻共摻雜長余輝材料的化學(xué)組成
圖2是ZGSiO4的高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM)照片。從圖2(a)中可以看出, 樣品具有清晰的晶格條紋, 表明高溫固相法所制備的樣品結(jié)晶性良好。條紋間距經(jīng)過測量得到晶面間距為0.491 nm,根據(jù)布拉格方程計(jì)算出的衍射角對應(yīng)于XRD圖譜中的(111)晶面。HRTEM照片中也呈現(xiàn)了位錯(cuò)缺陷, 是所制備材料中具有較豐富缺陷的另一個(gè)佐證。另外, 圖2(a)呈現(xiàn)了所表征顆粒表面存在少量的第二相, 其晶面間距為0.152 nm, 對應(yīng)Zn2SiO4(360)晶面。這與XRD圖譜中呈現(xiàn)的少量第二相Zn2SiO4結(jié)果一致。圖2(b)為電子衍射圖, 圖案表現(xiàn)出清晰的衍射斑點(diǎn), 證實(shí)材料整體是一種結(jié)晶良好的晶體。
圖3是ZGSiO系列樣品, ZGO1-ZGSiO5的紫外–可見漫反射光譜圖。ZGO1-ZGSiO5樣品的光譜在550和420 nm左右都有兩個(gè)明顯的吸收峰, 分別歸因于Cr3+的4A2(4F)→4T2(4F)和4A2(4F)→4T1(4F) 的躍遷。ZGSiO系列樣品在250 nm左右的峰歸因于Cr3+的4A2(4F)→4T1(4P)的自旋–允許吸收峰, 且部分與ZnGa2O4帶隙吸收邊緣重疊。帶隙吸收邊來自ZnGa2O4基質(zhì)中O2–-Ga3+的電荷轉(zhuǎn)移躍遷[17]。與ZGO1相比, ZGSiO系列樣品的兩個(gè)吸收峰隨著Si含量的增加呈現(xiàn)紅移的趨勢, 這是由于基質(zhì)中引入Si使得其晶體場分裂變強(qiáng)。帶隙吸收邊也總體呈向長波長方向偏移的趨勢, 意味著隨著Si的引入, 樣品的禁帶寬度變小。
圖1 ZGSiO系列樣品的XRD圖譜以及ZnGa2O4和Zn2SiO4標(biāo)準(zhǔn)衍射峰
圖2 ZGSiO4的HRTEM照片(a)和電子衍射照片(b)
圖3 ZGSiO系列樣品漫反射吸收光譜圖(a)和曲線(b)(以切線與x軸截距估算帶隙能量)
為了探究ZGSiO系列樣品的禁帶寬度變化, 將漫反射代入Kubelka-Munk函數(shù)公式, 如下所示[18]:
圖4(a)為ZGSiO系列樣品在696 nm監(jiān)測波長下的激發(fā)光譜。所有樣品的激發(fā)光譜都具有強(qiáng)的帶間吸收和三個(gè)激發(fā)峰, 分別歸屬于Cr3+的4A2(4F)→4T2(4F),4A2(4F)→4T1(4F)和4A2(4F)→4T1(4P)躍遷, 這與漫反射光譜中的吸收帶一致。以ZGSiO4的激發(fā)光譜為例, 在272 nm處存在強(qiáng)而寬的激發(fā)帶, 這是由于帶間躍遷(CB→VB)導(dǎo)致的。在553和400 nm處的兩個(gè)峰分別歸因于Cr3+的4A2(4F)→4T2(4F)和4A2(4F)→4T1(4F)躍遷[20]。如圖4(a)所示, 與ZGO1相比, ZGSiO系列樣品的激發(fā)峰具有一定的紅移。圖4(b)為樣品ZGO1-ZSiO5在各自的最佳激發(fā)波長下的發(fā)射光譜。由于Cr3+的2E(4F)-4A2(4F)躍遷, 所有樣品在696 nm處均具有特征峰。如圖4(b)所示, 與ZGO1相比, ZGSiO系列樣品的發(fā)射峰峰形相對寬化。這也意味著Cr3+所占據(jù)的晶格場環(huán)境發(fā)生了變化, 主要原因是Si4+可能會(huì)占據(jù)基質(zhì)中Ga3+的六配位格位、Zn2+的四配位格位或以填隙的方式存在, 從而使鄰近Cr3+所處的多面體產(chǎn)生不同程度的畸變。正是由于這種畸變, 導(dǎo)致Cr3+處在多種格位形式, 其所發(fā)射的峰經(jīng)疊加則呈現(xiàn)出寬化的結(jié)果。
另外, 以ZGSiO4的發(fā)射光譜為例, 687 nm處的峰歸因于占據(jù)Ga3+位置的Cr3+的零聲子線ZPL(R-線), 696 nm處的峰為N線, 這是Cr3+在反位缺陷引起的扭曲環(huán)境中產(chǎn)生的。708和714 nm, 669和679 nm處的峰分別歸因于斯托克斯聲子邊帶S-PSB和反斯托克斯聲子邊帶AS-PSB。特別是與ZGO1樣品相比, ZGSiO4的N2線相對R線較強(qiáng), 表明硅共摻后材料中處在畸變格位的Cr3+更多。
如圖5(a)所示, ZGO1-ZSiO5樣品在用氙燈激發(fā)10 min后, 立即測試余輝發(fā)射光譜。與ZnGa2O4:Cr3+的余輝發(fā)射光譜相比, ZGSiO系列樣品的峰形進(jìn)一步寬化, PSB變得不明顯。余輝發(fā)射在696 nm處(N線)的峰強(qiáng)度高于ZGO1, 表明硅共摻系列樣品中缺陷引起的畸變中心的密度更高。其中, ZGSiO4具有最高的峰強(qiáng)度, 表明該樣品具有更好的余輝發(fā)光性能和更優(yōu)化的缺陷分布。
圖5(b)是ZGO1-ZGSiO5樣品的余輝衰減曲線。用氙燈預(yù)激發(fā)樣品10 min, 然后立即在FM-4P熒光儀動(dòng)力學(xué)模式下測試在1500 s時(shí)間范圍內(nèi)696 nm處的發(fā)射峰強(qiáng)度變化, 獲得余輝衰減曲線。從圖中可以看出, ZGSiO系列樣品具有比ZGO1樣品更強(qiáng)的初始余輝強(qiáng)度, ZGSiO2~ZGSiO5分別是ZGO1樣品的1.6、1.7、3.0和2.0倍。在測試時(shí)間范圍內(nèi), ZGSiO系列樣品的余輝衰減率比ZGO1慢。在激發(fā)停止25 min后, ZGSiO2~ZGSiO5仍然保持比ZGO1更強(qiáng)的余輝強(qiáng)度。結(jié)合上述XRD分析, 比較樣品的余輝光譜和余輝衰減曲線, 隨著硅摻雜量的增加, 盡管出現(xiàn)了雜相, 但是余輝性能呈現(xiàn)了先增強(qiáng)后減弱的變化。這可能類似于溶液中的過飽和現(xiàn)象, 硅含量的增加導(dǎo)致在固溶體中形成雜相的同時(shí), 也促進(jìn)了固溶體基質(zhì)中某些缺陷的形成。也就是說, 少量雜相的存在在一定程度上實(shí)現(xiàn)了基質(zhì)中缺陷濃度的最大化, 這有利于提高材料的余輝性能。
圖4 ZGSiO系列樣品的激發(fā)光譜圖(a)和發(fā)射光譜圖(b)
圖5 ZGSiO系列樣品的余輝發(fā)射光譜(a)和余輝衰減曲線(b)
同樣以ZGSiO4為例, 硅共摻樣品的余輝可以分別用紫外光和紅光進(jìn)行多次充能后獲得。如圖6所示, 分別用272 nm紫外光和620 nm紅光激發(fā)5 min后記錄其衰減情況, 得到ZGSiO4粉末在696 nm處的長余輝衰減曲線。結(jié)果表明, 在5次循環(huán)紫外光和紅光激發(fā)衰減和再充能后, 樣品的余輝強(qiáng)度均保持較高的水平。特別是620 nm的紅光具有在生物組織中的高穿透性特點(diǎn), 說明所制備的ZGSiO系列長余輝材料在深組織生物成像領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
長余輝材料的余輝特性與缺陷的深度和密度密切相關(guān), 而熱釋發(fā)光曲線(TL)可以很好地表征材料的缺陷分布情況。先用氙燈將樣品激發(fā)10 min, 然后在298 K的初始溫度下進(jìn)行TL測量, 其中升溫速率為20 K/min。ZGO1-ZGSiO5樣品的TL曲線如圖7(a)所示。結(jié)合圖7(b)可以發(fā)現(xiàn)ZGSiO系列樣品有兩個(gè)熱釋峰, 且ZGSiO系列的峰強(qiáng)度高于ZGO1, 與其余輝衰減曲線中的初始余輝強(qiáng)度較強(qiáng)一致。進(jìn)一步地, 材料的缺陷深度可以使用以下經(jīng)驗(yàn)公式從TL曲線中估算得到[21]:
為了進(jìn)一步闡明陷阱深度分布, 在不同的溫度下對ZGSiO系列樣品的陷阱進(jìn)行熱清空后, 測量樣品的熱釋曲線, 結(jié)果如圖8(a)所示。首先將這些樣品在298 K下用氙燈照射10 min; 然后加熱到一定溫度(exc), 以倒空陷阱深度能量低于該溫度所提供能量的相對淺陷阱; 最后在避光情況下迅速降溫到室溫后進(jìn)行熱釋曲線測試。圖8(a)表明隨著清空溫度的提高, 熱釋峰逐漸往高溫端移動(dòng), 即陷阱深度逐漸加深, 表明ZGSiO系列熒光粉中的陷阱分布是連續(xù)的。熱釋曲線中包含了陷阱密度和陷阱深度以及捕獲和釋放載流子過程的動(dòng)力學(xué)信息。對此, 采用初始上升法, 計(jì)算每個(gè)exc溫度下ZGSiO系列熒光粉的陷阱深度, 進(jìn)一步對熱釋曲線進(jìn)行換算來確定陷阱在ZGSiO系列熒光粉中的分布情況, 結(jié)果如圖8(b)所示[22]。這種方法假定熱釋曲線低溫側(cè)捕獲的電子濃度保持相對穩(wěn)定, 熱釋信號強(qiáng)度可近似表示為[23]:
圖6 ZGSiO4在272 (a)和620 nm(b)波長的光照下循環(huán)5次的余輝衰減曲線
圖7 ZGO1~ZGSiO5的熱釋曲線(a)和峰強(qiáng)度對比(b)
表2 ZGSiO系列樣品TL峰的陷阱深度
圖8 不同清空溫度處理后ZGSiO4樣品的熱釋發(fā)光曲線(a)(加熱速率, 20 K/min)和熱釋曲線的初始上升法分析(b)
為了探究余輝衰減過程中不同深度陷阱對余輝的作用效果, 對ZGSiO系列樣品進(jìn)行了不同延遲時(shí)間下的熱釋衰減實(shí)驗(yàn)。將該組樣品用氙燈照射激發(fā)10 min, 然后在延遲不同的時(shí)間后進(jìn)行熱釋曲線測試, 結(jié)果如圖9(a)所示。從圖中可知熱釋峰值的最大值向高溫方向移動(dòng)。同樣地, 對應(yīng)于圖9(a)中的每個(gè)熱釋曲線通過初始上升方法轉(zhuǎn)換的曲線[24]。
根據(jù)公式(4), 可以得到不同延遲時(shí)間下的陷阱深度–密度分布[25], 結(jié)果如圖9(b)中所示。由曲線所知, 開始時(shí)淺陷阱對余輝發(fā)光作出了主要貢獻(xiàn), 而深陷阱則對長余輝起主要作用。全體陷阱(0.5~1.4 eV)中的載流子的綜合作用可以有效地支撐余輝衰減, 且可以超過12 h。
圖9 ZGSiO4樣品在氙燈激發(fā)10 min后不同延遲時(shí)間下的熱釋衰減曲線(a)和陷阱密度–時(shí)間分布(b)
綜上所言, 采用硅共摻雜、以高溫固相反應(yīng)合成了尖晶石固溶體長余輝發(fā)光材料Zn1+xGa2-2xSiO4:Cr3+。通過硅的共摻雜, 樣品在峰值為696 nm的近紅外光余輝強(qiáng)度顯著增強(qiáng)。X射線粉末衍射和透射電子顯微鏡表明所合成的熒光粉主相為尖晶石結(jié)構(gòu), 并且觀察到位錯(cuò)缺陷的存在。通過陷阱分布表明, 在ZnGa2O4基質(zhì)中引入了硅元素, 可有效調(diào)控不同陷阱深度的分布。即在豐富的反位缺陷基礎(chǔ)上, 硅的共摻雜可增加不等價(jià)替換缺陷和填隙缺陷等, 并可改變禁帶寬度及缺陷形成, 實(shí)現(xiàn)調(diào)控基質(zhì)中的缺陷分布, 從而實(shí)現(xiàn)改善余輝性能的目的。
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Near-infrared Afterglow Enhancement and Trap Distribution Analysis of Silicon-chromium Co-doped Persistent Luminescence Materials Zn1+xGa2–2xSiO4:Cr3+
WANG Kai, YAN Li-Ping, SHAO Kang, ZHANG Cong, PAN Zai-Fa
(College of Chemical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)
Co-doping of silicon in zinc gallate spinel persistent luminescent phosphor was adopted to enhance the afterglow properties. Firstly, a series of silicon-chromium co-doping zinc gallate spinel samples were prepared by high temperature solid state reaction method. Phosphor with chemical formula of Zn1+xGa2–2xSiO4:Cr3+(= 0, 0.1, 0.15, 0.2, 0.5, 1) was obtained with the raw materials of ZnO, Ga2O3, SiO2, and Cr2O3. The experimental results show that the introduction of suitable concentration of silicon improves the afterglow performance effectively. The strongest afterglow intensity was obtained for sample with= 0.2, which is 3 times higher than ZnGa2O4:Cr3+, and the afterglow duration is up to 24 h. Through further trap distribution analysis, it is shown that the introduction of silicon in the ZnGa2O4host can regulate the distribution of trap depths. Particularly, besides the antisite defects, the co-doping of silicon can induce the formation of aliovalent substitution defects and interstitial defects, as well as tune the band gap value, thereby achieving the purpose of improving the afterglow performance.
Zn1+xGa2–2xSiO4:Cr3+; persistent luminescence; non-equivalent doping; trap distribution
TQ174
A
1000-324X(2019)09-0983-08
10.15541/jim20180586
2018-12-17;
2019-01-24
國家自然科學(xué)基金(10804099, 21804119); 浙江省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(LZ18B050002)
National Natural Science Foundation of China (10804099, 21804119); Key Project of Natural Science Foundation of Zhejiang Province (LZ18B050002)
王鍇(1994–), 男, 碩士研究生. E-mail: 752673535@qq.com
潘再法, 副教授. E-mail: panzaifa@zjut.edu.cn