Структурні та оптико-люмінесцентні характеристики керамік Mg[1–x]Zn[x]Ga[2]O[4]: Mn2+

Abstract

Досліджено структуру керамічних зразків MgGa2O4, Mg0.5Zn0.5Ga2O4 та ZnGa2O4, легованих іонами Mn2+, отриманих методом твердофазного синтезу за температури 1200 °C. Зразки мають структуру шпінелі з кубічною ґраткою (просторова група Fd3m). Отримані значення параметрів елементарної комірки свідчать про зростання періоду кристалічної ґратки зі збільшенням вмісту іонів Zn2+. Дослі- дження елементного складу засвідчили стехіометричність отриманих керамічних зразків. Наведено зображення суміші вихідних матеріалів синтезу, поверхні та зламу керамік, отриманих за допомогою скануючої електронної мікроскопії. Проведена оцінка розміру кристалітів добре узгоджується із резуль- татами розрахунків за формулою Шеррера. На краю смуги фундаментального поглинання спостеріга- ється перегин, що пов'язаний з поглинанням енергії у смузі перенесення заряду від аніонів O2- до іонів активатора Mn2+. За спектрами оптичного поглинання визначено ширину забороненої зони керамік. По- казано, що ступінь заміщення катіонів Mg2+ катіонами Zn2+ впливає на ширину забороненої зони мікро- керамік. Проведено дослідження люмінесценції при збудженні Х-променями за кімнатної температури та температури рідкого азоту. Виявлено три смуги свічення, котрі відповідають люмінесценції матриці, свіченню іонів активатора Mn2+ та неконтрольованої домішки Cr3+. Інтенсивність свічення матриці зрос- тає приблизно удвічі за температури рідкого азоту у всіх досліджуваних зразках. Люмінесценція іонів Mn2+ та Cr3+ має рекомбінаційну природу та слабо залежить від температури.

Проведено исследование структуры керамических образцов MgGa2O4, Mg0.5Zn0.5Ga2O4 и ZnGa2O4, легированных ионами Mn2+, полученных методом твердофазного синтеза при температуре 1200 °C. Образцы имеют структуру шпинели с кубической решеткой (пространственная группа Fd3m). Полученные значения параметров элементарной ячейки свидетельствуют о росте периода кристаллической решетки по мере увеличения содержания ионов Zn2+. Исследование элементного состава доказали стехиометричность полученных керамик. Приведены изображения механической смеси исходных материалов синтеза, поверхности и внутренней части керамики, полученных с помощью сканирующего электронного микроскопа. Оценка размеров кристаллитов по РЭМ-изображениям хорошо согласуется с результатами расчетов, проведенных с помощью формулы Шеррера. На краю полосы фундаментального поглощения наблюдается перегиб, связанный с поглощением энергии в полосе переноса заряда от анионов O2– к ионам активатора Mn2+. По спектрам оптического поглощения определено ширину запрещенной зоны керамик. Показано, что степень замещения катионов Mg2+ катионами Zn2+ влияет на ширину запрещенной зоны микрокерамик. Исследование люминесценции при возбуждении Х-лучами выявили три полосы свечения, отвечающие за люминесценцию матрицы, свечение ионов активатора Mn2+ и свечение неконтролируемой примеси Cr3+. Интенсивность свечения матрицы возрастает почти вдвое при температуре жидкого азота во всех исследуемых образцах. Люминесценция ионов Mn2+ и Cr3+ носит рекомбинационный характер и слабо зависит от температуры.

MgGa2O4, Mg0.5Zn0.5Ga2O4 and ZnGa2O4 ceramics samples doped with Mn2+ ions synthesized via hightemperature solid state reaction method at 1200 °C have been investigated. Cubic spinel structure with Fd3m space group has been confirmed by XRD technique in all samples. It was shown that increasing of Zn2+ content leads to increasing of lattice parameter. Elements distribution spectra investigation shows that obtained samples are stoichiometric spinel compounds. Scanning electron microscopy investigations were performed for staring materials powder, surface and cloven of ceramic sample. Crystallite size estimation evaluated with Scherrer's formula are in well agreement with results obtained with scanning electron microscopy. A shoulder related with absorption of charge transfer band from O2– to Mn2+ was found in the region of fundamental absorption edge. Band gaps of ceramic samples were determined from absorption spectra. It is shown, that a grade of Mg2+ cations substitution by Zn2+ cations affects band gap of obtained ceramics. X-ray luminescence investigations were carried out at room and liquid nitrogen temperatures. Three luminescence bands ascribed to matrix, Mn2+ activator ions and Cr3+ uncontrolled impurity were detected. All samples show doubled intensity of matrix luminescence at liquid nitrogen temperature. Luminescence of Mn2+ and Cr3+ ions has recombination nature and slightly dependent on temperature.