Золь-гель синтез Gd₂O₃:Nd³⁺ нанопорошков и исследование их люминесцентных свойств

Муссауи А., Булыга Д.В., Кузьменко Н.К., Игнатьев А.И., Евстропьев С.К., Никоноров Н.В. Золь-гель синтез Gd₂O₃:Nd³⁺ нанопорошков и исследование их люминесцентных свойств // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21, № 2. С. 198–205. doi: 10.17586/2226-1494-2021-21-2-198-205

Предмет исследования. В работе приведены результаты золь-гель синтеза нанопорошков Gd₂O₃:Nd³⁺ цитратным методом. Исследованы их структуры и люминесцентные свойства. Предложена и опробована методика использования при золь-гель синтезе двух органических стабилизаторов, имеющих различную термическую устойчивость. Изучены люминесцентные свойства полученных Gd₂O₃:Nd³⁺ порошков в ультрафиолетовой и ближней инфракрасной областях спектра. Метод. Для синтеза материалов применен цитратный золь-гель метод. В качестве основных исходных компонентов использованы водные растворы нитратов металлов, а в качестве органических модифицирующих компонентов — лимонная кислота и поливинилпирролидон. Эти компоненты выполняли двойную функцию в процессе синтеза: выступали стабилизаторами формирующихся наночастиц в коллоидных растворах, а также выполняли роль «горючей» добавки, которая при сгорании в процессе термообработки материалов повышает температуру реакционной смеси. Для исследования процессов эволюции структуры материалов при синтезе использованы методы инфракрасной спектроскопии, дифференциально-термического и термогравиметрического анализов. Основные результаты. Кристаллические нанопорошки Gd₂O₃:Nd³⁺ получены низкотемпературным золь-гель методом при использовании лимонной кислоты и поливинилпирролидона в качестве стабилизаторов. Данные инфракрасной спектроскопии и дифференциально-термического и термогравиметрического анализов показывали, что формирование наночастиц Gd₂O₃:Nd³⁺ начинается на стадии сырого геля. Процесс эволюции развивается во время сушки и термообработки материалов. Показано, что применение двух органических стабилизаторов, имеющих различную термическую устойчивость, обеспечивает стабилизацию формирующихся наночастиц Gd₂O₃ на разных этапах синтеза в широком температурном диапазоне. При возбуждении синтезированных нанопорошков излучением с длиной волны 238 нм наблюдается люминесценция в ультрафиолетовой части спектра, определяемая электронными переходами в кристаллической матрице Gd₂O₃. Полученные Gd₂O₃:Nd3+ нанопорошки демонстрируют интенсивную фотолюминесценцию в ультрафиолетовой и ближней инфракрасной областях спектра. Практическая значимость. Экспериментальные данные, полученные в настоящей работе, могут быть применены при разработке технологических процессов производства люминофоров, а также люминесцентных материалов для нанотермометрии в медицине.

1. Yu Y., Zheng Y.D., Qin F., Cheng Z.M., Zheng C.B., Zhang Z.G., Cao W.W. Experimental investigation on the upconversion mechanism of 754 nm NIR luminescence of Ho³⁺/Yb³⁺:Y2O₃,Gd₂O₃ under 976 nm diode laser excitation // Journal of Luminescence. 2011. V. 131. N 2. P. 190–193. doi: 10.1016/j.jlumin.2010.09.033
2. Kumar R.G.A., Hata S., Gopchandran K.G. Diethylene glycol mediated synthesis of Gd₂O₃:Eu³⁺ nanophosphor and its Judd-Offelt analysis // Ceramics International. 2013. V. 39. N 8. P. 9125–9136. doi: 10.1016/j.ceramint.2013.05.010
3. Wang Z., Wang P., Zhong J., Liang H., Wang J. Phase transformation and spectroscopic adjustment of Gd₂O₃:Eu³⁺ synthesized by hydrothermal method // Journal of Luminescence. 2014. V. 152. P. 172–175. doi: 10.1016/j.jlumin.2013.11.040
4. Dhananjaya N., Nagabhushana H., Sharma S.C., Rudraswamy B., Shivakumara C., Nagabhushana B.M. Hydrothermal synthesis of Gd₂O₃:Eu³⁺ nanophosphors: Effect of surfactant on structural and luminescence properties // Journal of Alloys and Compounds. 2014. V. 587. P. 755–762. doi: 10.1016/j.jallcom.2013.10.121
5. Dhananjaya N., Nagabhushana H., Nagabhushana B.M., Rudraswamy B., Shivakumara C., Chakradhar R.P.S. Spherical and rod-like Gd₂O₃:Eu³⁺ nanophosphors – structural and luminescent properties // Bulletin of Materials Science. 2012. V. 35. N 4. P. 519–527. doi: 10.1007/s12034-012-0330-6
6. Ferrara M.C., Altamura D., Schioppa M., Tapfer L., Nichelatti E., Pilloni L., Montecchi M. Growth, characterization and optical properties of nanocrystalline gadolinia thin films prepared by sol-gel dip coating // Journal of Physics D: Applied Physics. 2008. V. 41. N 22. P. 225408. doi: 10.1088/0022-3727/41/22/225408
7. Liu X., Zhou F., Gu M., Huang S., Liu B., Ni C. Fabrication of highly a-axis-oriented Gd₂O₃:Eu³⁺ thick film and its luminescence properties // Optical Materials. 2008. V. 31. N 2. P. 126–130. doi: 10.1016/j.optmat.2008.02.001
8. Pang M.L., Lin J., Fu J., Xing R.B., Luo C.X., Han Y.C. Preparation, patterning and luminescent properties of nanocrystalline Gd₂O₃:A (A=Eu³⁺, Dy³⁺, Sm³⁺, Er³⁺) phosphor films via Pechini sol-gel soft lithography // Optical Materials. 2003. V. 23. N 3-4. P. 547–558. doi: 10.1016/S0925-3467(03)00020-X
9. Jain A., Hirata G.A. Photoluminescence, size and morphology of red-emitting Gd₂O₃:Eu³⁺ nanophosphor synthesized by various methods // Ceramics International. 2016. V. 42. N 5. P. 6428–6435. doi: 10.1016/j.ceramint.2016.01.053
10. Kuzmenko N.K., Evstropiev S.K., Aseev V.A., Danilovich D.P., Nikonorov N.V., Ignatiev A.I., Matrosova A.S., Demidov V.V., Emerson A.V., Sevastyanova I.M. Polymer-salt synthesis of Gd₂O₃:Nd³⁺ nanophosphors // Journal of Physics: Conference Series. 2020. V. 1695. P. 012184. doi: 10.1088/1742-6596/1695/1/012184
11. Majeed S., Shivaahankar S.A. Rapid, microwave-assisted synthesis of Gd₂O₃ and Eu:Gd₂O₃ nanocrystals: characterization, magnetic, optical and biological studies // Journal of Materials Chemistry B. 2014. V. 2. N 34. P. 5585–5593. doi: 10.1039/c4tb00763h
12. Seo S., Yang H., Holloway P.H. Controlled shape growth of Eu- or Tb-doped luminescent Gd₂O₃ colloidal nanocrystals // Journal of Colloid and Interface Science. 2009. V. 331. N 1. P. 236–242. doi: 10.1016/j.jcis.2008.11.016
13. Tamrakar R.K., Bisen D.R., Sahu I.P. Structural characterization of combustion synthesized Gd₂O₃ nanopowder by using glycerin as fuel // Advance Physics Letter. 2014. V. 1. N 1. P. 6–9.
14. Sun L., Yao J., Liu C., Liao C., Yan C. Rare earth activated nanosized oxide phosphors: synthesis and optical properties // Journal of Luminescence. 2000. V. 87-89. P. 447–450. doi: 10.1016/S0022-2313(99)00471-8
15. Tamrakar R.K., Upadhyay K. Gd₂O₃: A Luminescent Material // Rare Earth Elements and Their Minerals. IntechOpen, 2020. P. 186. doi: 10.5772/intechopen.92310
16. Tamrakar R.K., Bisen D.P., Upadhyay K., Sahu M., Sahu I.P., Brahme N. Comparison of emitted color by pure Gd₂O₃ prepared by two different methods by CIE coordinates // Superlattices and Microstructures. 2015. V. 88. P. 382–388. doi: 10.1016/j.spmi.2015.09.033
17. Michel C.R., López-Contreras N.L., Martínez-Preciado A.H. Gas sensing properties of Gd₂O₃ microspheres prepared in aqueous media containing pectin // Sensors and Actuators B: Chemical. 2013. V. 177. P. 390–396. doi: 10.1016/j.snb.2012.11.018
18. Atabaev T.Sh., Hong H.T., Piao Z., Hwang Y.-H., Kim H.-K. Tailoring the luminescent properties of Gd₂O₃:Tb³⁺ phosphor particles by codoping with Al³⁺ ions // Journal of Alloys and Compounds. 2012. V. 541. P. 262–268. doi: 10.1016/j.jallcom.2012.06.119
19. Goldys E.M., Drozdowicz-Tomsia K., Jinjun S., Dosev D., Kennedy I.M., Yatsunenko S., Godlewski M. Optical characterization of Eu-doped and undoped Gd₂O₃ nanoparticles synthesized by the hydrogen flame pyrolysis method // Journal of the American Chemical Society. 2006. V. 128. N 45. P. 14498–14505. doi: 10.1021/ja0621602
20. Costa G.A., Artini C., Ubaldini A., Carnasciali M.M., Mele P., Masini R. Phase stability study of the pseudobinary system Gd₂O₃-Nd₂O³ (T≙1350°C) // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2008. V. 92. N 1. P. 101–104. doi: 10.1007/s10973-007-8744-x
21. Hao B.V., Huy P.T., Khiem T.N., Ngueyn T., Thanh Ngan N.T., Duong P.H. Synthesis of Y₂O₃:Eu³⁺ micro- and nanophosphors by sol-gel process // Journal of Physics: Conference Series. 2009. V. 187. P. 012074. doi: 10.1088/1742-6596/187/1/012074
22. Gorelova A.V., Evstropiev S.K., Efremov A.M., Konovalov A.V., Petrovskii G.T., Semenov A.D., Shashkin V.S. Inorganic sol-gel synthesis of monolithic silica glasses with the use of aerosils // Glass Physics and Chemistry. 1999. V. 25. N 3. P. 274–280.
23. Guo H., Yang X., Xiao T., Zhang W., Lou L., Mugnier J. Structure and optical properties of sol-gel derived Gd₂O₃ waveguide films // Applied Surface Science. 2004. V. 230. N 1-4. P. 215–221. doi: 10.1016/j.apsusc.2004.02.032
24. Михайлов М.Д., Мамонова Д.В., Колесников И.Е., Маньшина А.А. Исследование оптических свойств наночастиц YAG:Nd// Современные проблемы науки и образования. 2012. № 4. С. 340.
25. Morales Pamíres A.D.J., García Murillo A., Carillo Romo F. de J., García Hernández M., Jaramillo Vigueras D., Chaderyron G., Boyer D. Properties of Gd₂O₃:Eu³⁺, Tb³⁺ nanopowders obtained by sol-gel process // Materials Research Bulletin. 2010. V. 45. N 1. P. 40–45. doi: 10.1016/j.materresbull.2009.09.005
26. Evstropiev S.K., Vasilyev V.N., Nikonorov N.V., Kolobkova E.V., Volkova N.A., Boltenkov I.A. Photoactive ZnO nanosuspension for intensification of organics contaminations decomposition // Chemical Engineering and Processing: Process Intensification. 2018. V. 134. P. 45–50. doi: 10.1016/j.cep.2018.10.020
27. Ciriminna R., Meneguzzo F., Delisi R., Pagliaro M. Citric acid: emerging applications of key biotechnology industrial product // Chemistry Central Journal. 2017. V. 11. N 1. P. 22. doi: 10.1186/s13065-017-0251-y
28. Evstropiev S.K., Soshnikov I.P., Kolobkova E.V., Evstropyev K.S., Nikonorov N.V., Khrebtov A.I., Dukelskii K.V., Kotlyar K.P., Oreshkina K.V., Nashekin A.V. Polymer-salt synthesis and characterization of MgO-ZnO ceramic coatings with the high transparency in UV spectral range // Optical Materials. 2018. V. 82. P. 81–87. doi: 10.1016/j.optmat.2018.05.029
29. Евстропьев К.С., Гатчин Ю.А., Евстропьев С.К., Дукельский К.В., Кисляков И.М., Пегасова Н.А., Багров И.А. Спектрально-люминесцентные свойства золей и покрытий, содержащих квантовые точки CdS/ZnSи поливинилпирролидона // Оптика и спектроскопия. 2016. Т. 120. № 3. C. 434–441. doi: 10.7868/S0030403416030065
30. Li Q.B., Lin J.M., Wu J.H., Lan Z., Wang J.L., Wang Y., Peng F.G., Huang M.L., Xiao Y.M. Preparation of Gd₂O₃:Eu³⁺ downconversion luminescent material and its application in dye-sensitized solar cells // Chinese Science Bulletin. 2011. V. 56. N 28-29. P. 3114–3118. doi: 10.1007/s11434-011-4664-z
31. Физика и спектроскопия лазерных кристаллов / под ред. А.А. Каминского. М.: Наука, 1986. 272 с.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License