Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio (May 2021)
Luminescence, structure and insight on the inversion degree from normal to inverse spinel in a ZnAl(2−x)Fex3+O4 system
Abstract
ZnAl2O4 doped with various concentration (x) of Fe3+ were prepared using the Pechini synthesis. In the first set of samples, Fe3+ substituted Al3+ to create a system of the form ZnAl(2−x)Fex3+O4 (x = 0–0.08). To study the effect of charge compensation, Fe3+ substituted Zn2+ to create Zn(1−x)Fex3+Al2O4 (x = 0.05) system. The structure and particle morphology of the phosphors were studied using X-ray diffractometer (XRD) and field emission scanning electron spectroscopy, respectively. From the XRD data, the oxygen parameter and the inversion degrees were estimated. The elemental composition and electronic states of the phosphors were analyzed using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). XPS results showed that part of the Fe3+ were reduced to Fe2+ in the doped samples. Both photoluminescence and cathodoluminescence properties of the phosphors were also studied. Luminescence excitations using a xenon lamp and X-ray showed two broad emission bands located around 470 and 730 nm, and were ascribed to Fe ions occupying the tetrahedral (tet) and the octahedral (oct) sites in ZnAl2O4, respectively. A change in the lifetime of these two emission bands upon Fe doping further confirmed the existence of Fe in the tet and oct sites in the ZnAl(2−x)Fex3+O4 matrix. Resumen: Se preparó ZnAl2O4 dopado con varias concentraciones (x) de Fe3+ usando la síntesis de Pechini. En el primer conjunto de muestras, Fe3+ sustituyó Al3+ para crear un sistema de la forma ZnAl(2−x)Fex3+O4 (x = 0 a 0,08). Para estudiar el efecto de la compensación de carga, Fe3+ sustituyó Zn2+ para crear el sistema Zn(1−x)Fex3+Al2O4 (x = 0,05). La estructura y la morfología de las partículas de los fósforos se estudiaron utilizando un difractómetro de rayos X (XRD) y espectroscopía electrónica de barrido de emisión de campo, respectivamente. A partir de los datos XRD se estimaron el parámetro de oxígeno y los grados de inversión. La composición elemental y los estados electrónicos de los fósforos se analizaron mediante espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS). Los resultados de XPS mostraron que parte de Fe3+ se redujo a Fe2+ en las muestras dopadas. También se estudiaron las propiedades de fotoluminiscencia y catodoluminiscencia de los fósforos. Las excitaciones de luminiscencia usando una lámpara de xenón y rayos X mostraron dos amplias bandas de emisión ubicadas alrededor de 470 y 730 nm, y se atribuyeron a iones Fe que ocupan los sitios tetraédricos (tet) y octaédrico (oct) en ZnAl2O4, respectivamente. Un cambio en la vida útil de estas dos bandas de emisión después del dopaje con Fe confirmó aún más la existencia de Fe en los sitios tet y oct en la matriz ZnAl(2−x)Fex3+O4.
