Галлат цинка в виде коллоидных нанокристаллов - широко известный люминесцирующий материал. Он имеет структуру кубической шпинели, где цинк занимает тетраэдрические позиции, а галлий - октаэдрические. Нелегированный галлат цинка обычно синтезируется твердофазным спеканием оксидов при температурах от 1000°С. Однако из-за высокой летучести оксида цинка при этой температуре предпочтительнее другие, более низкотемпературные методы: гидротермальный, цитратный золь-гель... Для изменения цвета люминесценции применяют легирование разными РЗЭ. Для получения замещенного тербием, европием, кобальтом или марганцем галлата цинка обычно прибегают к одному из низкотемпературных “влажных ” методов. При этом материал получается в нанокристаллической форме, но, к сожалению, нанокристаллы часто агрегируют друг с другом, в то время как для множества применений требуются их стабильные коллоидные растворы.
Только недавно был найден путь получения хорошо диспергированных нанокристаллов как доппированного Tb3+и Eu3+, так и чистого ZnGa2O4. В качестве прекурсоров, в зависимости от синтезируемого материала, использовались ацетилацетонаты галлия (III) и цинка (II), ацетат тербия (III) или европия (III). В состав раствора также входили 1,2-гексадекандиол (С16Н34О2), олеиновую кислоту и ее амин, в качестве растворителя использовался дибензиловый эфир. Реакционная колба, подогретая до 200°С в течение получаса продувалась аргоном, затем была нагрета до 280°С в инертной атмосфере. После чего с определенной периодичностью отбирались аликвоты раствора, которые немедленно разбавлялись гексаном в 4 раза. Нанокристаллы начинали высаживаться после добавления этилового спирта и выделялись центрифугированием. Все измерения с полученными образцами велись после их диспергирования в хлороформе.
Считается, что нагрев ведет к образованию олеатов металлов, а затем к их дальнейшему разложению на поверхности формирующихся наночастиц. Слишком длительное воздействие высокой температуры ведет к удалению органики с поверхности наночастицы и увеличению дефектов, позволяющих снять возбуждение безызлучательным путем. Все это ведет к ухудшению люминесцентных свойств при нагреве более, чем в течение 30 минут.
У недоппированного галлата пик поглощения был около 274 нм (отвечает ширине запрещенной зоны). Фотолюминесценция возбуждалась узкой полосой около 254 нм и широкой около 365. Испускается же излучение длиной волны около 435 нм, квантовый выход около 2,5%.
При легировании тербием в спектре люминесценции появляются пики, отвечающие переходам иона Tb3+(489, 546, 584 и 622). Заметно, что их интенсивность растет с уменьшением времени прогрева и увеличением доли добавки. Тербий частично подавляет испускание базовой длины волны, а присутствие всех этих длин волн дает зеленый цвет. Спектр возбуждения тоже меняется, считается, что пик при 245 относится к исходному соединению (просто немного сдвинут), а правый пик содержит в себе пики галлата и тербия. Квантовый выход люминесценции достигал 5,6%.
Образцы, легированные европием, подчинялись тем же закономерностям. Итоговое излучение получалось красным, но люминесценция имела, к сожалению, меньший выход - около 1,9%.
Помимо полученных результатов, был установлен размер наночастиц: 2,4 - 3,6 нм (по данным электронной микроскопии) и их однофазность (по данным РФА имеется только фаза кубической шпинели). Материалы на основе синтезированных наночастиц могут найти широкое применение в различных устройствах. Уже сейчас можно рассматривать данные наночастицы, вместе взятые в качестве потенциальной основы для создания фотолюминесцентного устройства с возможностью отображения любого видимого цвета, т.е. фотолюминесцентного пикселя.
