双掺杂Zn(Mg)Ga2O4材料结构中阳离子分布与性能关系的研究

Zn(Mg)Ga2O4及其掺杂活性离子的多晶材料是一类具有很好应用前景的发光材料，该类材料的发光性能与其结构中阳离子分布有着密切的关系。本课题拟选择Co2+/M (M= Ni2+, Mn2+, Cr3+)双掺杂的Zn(Mg)Ga2O4粉体新材料为研究对象，采用X射线光电子能谱仪等先进仪器，系统地研究材料的组成、制备方法和工艺、晶粒粒度、掺杂离子种类及浓度等因素对材料结构中阳离子分布的影响；以及对材料性能的影响；揭示材料的微观结构与发光性能之间的内在关系及其规律性。探索综合性能优良的、有应用价值的Co2+/M (M= Ni2+, Mn2+, Cr3+)双掺杂Zn(Mg)Ga2O4发光材料；并为探索综合性能优良的掺杂Zn(Mg)Ga2O4发光材料提供科学依据。

Zn(Mg)Ga2O4及其掺杂活性离子的多晶材料是一类具有很好应用前景的发光材料，该类材料的性能与其结构中阳离子分布有着密切的关系。本课题选择离子半径与Zn(Mg)Ga2O4尖晶石中阳离子半径比较接近、易进入其晶格位置的过渡金属离子如Cr3+，Mn2+，Co2+作为活性离子，研究Co2+/M（M= Cr3+, Mn2+, Ni2+）掺杂的Zn(Mg)Ga2O4纳米材料结构中阳离子分布以及材料的吸收和发光性能，揭示材料的微观结构与发光性能之间的内在关系及规律，为探索性能优良的掺杂Zn(Mg)Ga2O4粉体发光材料提供科学依据。. 本项目采用溶胶-凝胶等方法制备了Co2+/M（M= Cr3+, Mn2+, Ni2+）单掺及双掺杂的ZnGa2O4、MgGa2O4 及ZnxMg1-xGa2O4纳米粉体材料；采用X射线光电子能谱等技术研究了材料微观结构中阳离子分布；揭示了该类材料结构中阳离子占据四面体和八面体两种不同晶格位置的微结构特点；研究分析了阳离子分布受双掺杂离子种类及浓度、热处理温度、制备方法等因素的影响及变化规律。结果表明，掺杂离子进入ZnGa2O4、MgGa2O4晶格后不仅占据四面体晶格位置，也取代Ga3+占据八面体位置。随掺杂离子浓度的升高，Ga3+离子占据四面体位置的比例增加，材料的反转度增大。随着热处理温度的升高，纳米晶的晶粒粒度增大，材料的反转程度减小，材料趋于正尖晶石结构。制备方法对材料的微观结构也有较大的影响，由溶胶-凝胶法得到的Co2+/ Cr3+双掺MgGa2O4材料的反转程度较大，而由固相反应法制备的材料的反转度相对较小。对于Co/Cr双掺的ZnxMg1-xGa2O4材料，随基质中Zn含量的增多材料中四配位的Ga3+离子所占比例减少，材料的反转度降低。. 研究了该类材料的吸收和发光性能随双掺离子种类及浓度、热处理温度、制备方法的变化关系，以及材料的光学性能与材料微观结构之间的关系和规律，并探讨了其发光机理。分析表明：材料的制备方法、掺杂浓度、基质组成的变化，会使双掺离子Co2+/M（M= Cr3+, Mn2+, Ni2+）在四面体和八面体位置的分布发生变化，从而致使材料的吸收和发光性能发生改变。材料微观结构对其性能具有较大的影响。