Spectroscopic and cathodoluminescent properties of ZnGa2O4:Mn2+ nano phosphors

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

At first, manganese-doped zinc gallate nano phosphor (ZnGa2O4:Mn2+) was synthesized through a hydrothermal method. The particle size was about 40 nm confirmed by X-ray diffraction pattern and field-emission scanning electron microscope image. Low-temperature green photoluminescent peak around 505 nm originating from 4T-6A transitions of Mn2+ was split into two subbands. In ZnGa2O4:Mn2+ nano phosphor, the longer-wavelength subband (Mn2+ at Oh site) is stronger than the shorter-wavelength subband (Mn2+ at Td site) in comparison with micron-sized ZnGa2O4:Mn2+. The excitation peak of ZnGa2O4:Mn2+ nano phosphor consisted of host-related subband around 260 nm and Mn2+-related subband around 310 nm, and they showed the blue shift behavior in comparison with micron-sized ZnGa2O4:Mn2+ (285 nm, 320 nm) due to the quantum size effect. Especially, the cathodoluminescent intensity of ZnGa2O4:Mn2+ nano phosphor was almost identical to that of micron-sized ZnGa2O4:Mn2+. It can be explained in terms of the release of trapped charges by energetic electron beam.In the next place, manganese-doped zinc gallate nano phosphor (ZnGa2O4:Mn2+) was synthesized through a sol-gel method. While optimium Mn2+ concentration of microsized ZnGa2O4:Mn2+ was shown at 0.5% mol, and the intensity decreased gradually 0.3%, 0.8%, 1.0% mol in that order, it was more increased in nanosized ZnGa2O4:Mn2+ comparing micro-sized ZnGa2O4:Mn2+. Through blue shift of PLE spectra, We can know that the distance between Mn2+ ions becomes small and binding energy between ions is increased if Mn2+ concentration exceed quenching point. Finally, decay time analysis at 504 nm was investigated for identifying of cross relaxation.

국문 초록 (Abstract)

첫 번째로, 수열합성법을 이용하여 ZnGa2O4:Mn2+을 제조하였다. XRD와 FE-SEM을 통하여 확인한 결과, 입자의 크기는 대략 40 nm 였다. 저온 영역에서 Mn2+의 4T-6A 전이에 의하여 방출되는 505 nm 에서의 광발광 스펙트럼은 두 개의 픽으로 분리되어졌다. 두 개의 픽을 상대적으로 비교하였을 때, 고상법에 의한 마이크로 크기의 ZnGa2O4:Mn2+에 비해 ZnGa2O4:Mn2+ 나노 형광체에서의 Oh 위치에 의한 긴 파장은 Td 위치에 의한 짧은 파장에 비해 그 세기가 우월하였다. ZnGa2O4:Mn2+ 나노 형광체의 광여기 스펙트럼은 260 nm 에서의 형광모체에 의존하는 픽과 Mn2+에 의존하는 310 nm 에서의 픽으로 구성되어져 있는데, 그것은 각각 285 nm, 320 nm에서의 특성을 보이는 마이크로 크기의 ZnGa2O4:Mn2+에 비해 청색편이현상을 보였다. 그리고, 전계발광휘도를 측정하여 본 결과, 크기에 상관없이 거의 동일한 휘도를 확인할 수 있었고, 특별히 저전압 영역에서 보여주는 발광의 우수성을 주목할 만 하다.두 번째로, 졸-겔법을 이용하여 ZnGa2O4:Mn2+을 제조하였다. 마이크로 크기의 ZnGa2O4:Mn2+에서의 최적의 Mn2+ 도핑농도는 0.5 %mol 이었고, 0.3, 0.8, 1.0 %mol 순으로 점차 그 광발광휘도가 감소한 반면, ZnGa2O4:Mn2+ 나노 형광체에서는 최적의 Mn2+ 도핑농도가 증가하는 현상이 보였다. 광여기 스펙트럼의 청색편이 현상을 통하여, 우리는 Mn2+ 이온들 사이의 거리가 감소함에 따라, Mn2+의 도핑농도가 최적농도를 초과하게 되면, 이온들 간의 결합에너지가 증가함을 알 수 있다. 마지막으로, cross relaxation을 확인하기 위해 504 nm 에서의 광발광 소멸시간을 측정하였다.