Structure and photoluminescence of magnesium germanate containing tetravalent manganese as activating cation

Larissa Nolding Nicolau; Ada López; Lilian Pantoja Sosman; Sandra da Silva Pedro

doi:10.63595/vetor.v35i1.18365

Authors

Larissa Nolding Nicolau Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)
Ada López Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ) https://orcid.org/0000-0001-8144-1956
Lilian Pantoja Sosman Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ) https://orcid.org/0000-0003-0145-2714
Sandra da Silva Pedro Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ) https://orcid.org/0000-0001-8225-5418

DOI:

https://doi.org/10.63595/vetor.v35i1.18365

Keywords:

Cerâmicas, Difração de raios-X, Fotoluminescência, Mn4+

Abstract

The aim of the current study is to present the acetate method synthesis of magnesium germanate (Mg₂GeO₄) compound containing Mn⁴⁺ as activating cation for optical transitions. The crystalline structure of this compound was investigated through X-ray diffraction measurements in association with the Rietveld method, which confirmed the formation of the intended compound. Photoluminescence spectroscopy measurements have shown emission in the red region. The emission spectrum under 287 nm excitation presented an intense peak at 660 nm, followed by several structures. Optical transitions were identified and confirmed Mn⁴⁺ occupation in octahedral symmetry. Crystal field parameter Dq and Racah parameters B and C, were calculated based on optical spectra. Emission lifetime was 2.8 ms, and it was compatible to the spin-forbidden electronic transition ²E(²G) → ⁴A₂( ⁴F) attributed to the emission at 660 nm. The current findings pointed out that the sample was successfully synthesized, and that its optical properties can be used in devices that operate with emission in the red range of the visible spectrum.

Downloads

Author Biographies

Larissa Nolding Nicolau, Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)

Graduada pela Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro (UFRRJ) em Licenciatura Plena em Física. Mestrado em Física da Matéria Condensada (Experimental) pela Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ), atuando em pesquisas relacionadas a síntese e análise por difração de raios x e por Espectroscopia de Fotoluminescência de amostras cerâmicas com alto grau de pureza. Atualmente com Doutorado em curso em Física da Matéria Condensada (Experimental) pela Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ), realizando estudos relacionadas à produção, análise estrutural por difração de raios x e investigação de propriedades ópticas por Espectroscopia de Fotoluminescência de amostras cerâmicas.

Ada López, Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)

possui graduação em Física pela Universidad Nacional de Asunción (1991), mestrado em Física pelo Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (1996), doutorado em Física pelo Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (2004) e posdoutorado na Universidade do Estado do Rio de Janeiro (2008). Atualmente é Professor Associado com dedicação exclusiva na Universidade do Estado do Rio de Janeiro e atua no Departamento de Eletrônica Quântica. Tem experiência na área de Física, com ênfase em Física da Matéria Condensada Experimental, atuando principalmente nos seguintes temas: Difração de raios X, Espectroscopia Mössbauer, Preparação de novos materiais luminescentes e supercondutores.

Lilian Pantoja Sosman, Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)

Possui bacharelado em Física pela Universidade do Estado do Rio de Janeiro (1985), mestrado em Física pela Universidade Estadual de Campinas (1989) e doutorado em Física pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (1994). Ingressou como docente categoria Adjunto no Instituto de Física da Universidade do Estado do Rio de Janeiro, em 05/2000, promovida à categoria Associado em 08/2011 e aprovada à categoria de Professor Titular da Universidade do Estado do Rio de Janeiro em 19/08/2019. Desenvolve trabalhos de pesquisa na área de Materiais Ópticos, produzindo cerâmicas luminescentes através de métodos de estado sólido, que são investigadas com as técnicas de fotoluminescência, excitação, absorção, espectroscopia fotoacústica e difração de raios X.

Sandra da Silva Pedro, Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)

Possui graduação em Física (2005), mestrado em Física (2007) e doutorado em Física (2011) pela Universidade do Estado do Rio de Janeiro, pós doutorado pela Universidade Federal Fluminense (2014) e estágio pós doutoral (2013) pela Universidade de Aveiro, em Portugal. Atualmente é professora associada no Departamento de Eletrônica Quântica no Instituto de Física da Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ) atuando na área de Física da Matéria Condensada com ênfase na pesquisa de novos materiais para investigação de propriedades ópticas. É Jovem Cientista do Nosso Estado (FAPERJ) e Procientista (UERJ) desde 2019.

References

K. Mahmood, J. Jacob, A. Rehman, A. Ali, U. Rehaman, N. Amin, S. Ikram, A. Ashfaq, and S. Hussain, “Modulation of thermoelectric properties of Mg2GeO4 thin films by controlling the growth process,” Ceramics International, vol. 45, no. 15, pp. 18701–18703, 2019. Available at: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.06.095

H. M. Yang, J. X. Shi, H. B. Liang, and M. L. Gong, “A novel red phosphor Mg2GeO4 doped with Eu3+ for PDP applications,” Materials Science and Engineering: B, vol. 127, no. 2–3, pp. 276–279, 2006. Available at: https://doi.org/10.1016/j.mseb.2005.10.014

C. X. Chen, S. P. Wu, and Y. X. Fan, “Synthesis and microwave dielectric properties of B2O3- doped Mg2GeO4 ceramics,” Journal of Alloys and Compounds, vol. 578, pp. 153–156, 2013. Available at: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2013.05.038

S. Deng, X. Qu., X. Wang, Y. Xiao, G. He, K. Liu, Q. Li, Z. Dai, X. Chen, and H. Zhou, “Solid-phase reaction mechanism and microwave dielectric properties of Mg2GeO4-MgAl2O4 composite ceramics,” Ceramics International, vol. 48, no. 21, pp. 31890–31895, 2022. Available at: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.07.122

J. Yang, Y. Zhou, H. Ming, E. Song, and Q. Zhang, “Site-selective occupancy of Mn2+ enabling adjustablered/ near-infrared multimode luminescence in olivine for dynamic anticounterfeiting and encryption,” Applied Electronic Materials, vol. 4, no. 2, pp. 831–841, 2022. Available at: https://doi.org/10.1021/acsaelm.1c01182

H. M. Yang, Z. Wang, M. L. Gong, and H. Liang, “Luminescence properties of a novel red emitting phosphor, Mg2GeO4:Sm3+,” Journal of Alloys and Compounds, vol. 488, no. 1, pp. 331–333, 2009. Available at: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2009.08.123

X. Wang, P. Li, M. G. Brik, X. Li, L. Li, and M. Peng, “Thermal quenching of Mn4+ luminescence in SrAl12O19:Mn4+,” Journal of Luminescence, vol. 206, pp. 84–90, 2019. Available at: https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2018.10.044

A. M. Srivastava, M. G. Brik, C.G. Ma, W. W. Beers, W. E. Cohen, and M. Piasecki, “Effect of covalence and degree of cation order on the luminous efficacy of Mn4+ luminescence in the double perovskites, Ba2BTO6 (B = Y, Lu, Sc),” The Journal of Physical Chemistry Letters, vol. 15, no. 15, pp. 4175–4184, 2024. Available at: https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.4c00205

W. Zou, R. Zhu, X. Zhang, Y. Li, J. Zuo, P. He, J. Zhang, W. Wang, J. Peng, and X. Ye, “Enhancing the luminescence of Mn4+-doped double perovskite oxide Ca2LuNbO6 phosphor by utilizing A-site cationic fluoride as a flux,” Ceramics International, vol. 50, no. 13, pp. 22627–22636, 2024. Available at: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.03.364

S. Adachi, “Photoluminescence properties of Mn4+-activated oxide phosphors for use in white-LED applications: A review,” Journal of Luminescence, vol. 202, pp. 263–281, 2018. Available at: https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2018.05.053

H. Liu; J. Liu, B. Sun, Z. Zhang, C. Jiao, D. Sun, L. Zhang, and Y. Zhang, “Ca2LaTaO6:Bi3+/Mn4+ phosphors with high brightness far-red emitting and luminescence enhancement for plant growth LED lights and temperature sensor,” Inorganic Chemistry, vol. 63, pp. 5365–5377, 2024. Available at: https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.3c03939

M. Peng, X. Yin, P. Tanner, M. G. Brik, and P. Li, “Site occupancy preference, enhancement mechanism, and thermal resistance of Mn4+ red luminescence in Sr4Al14O25:Mn4+ for warm WLEDS,” Chemistry of Materials, vol. 27, no. 8, pp. 2938–2945, 2015. Available at: https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.5b00226

F. Xue, Y. Hu, L. Chen, H. Wu, G. Ju, T. Wang, and L. Yang, “A novel rare-earth free red long-persistent phosphor: Mg2GeO4:Mn4+,” Ceramics International, vol. 43, no. 17, pp. 15141-15145, 2017. Available at: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.08.044

B. H. Toby, “R factors in Rietveld analysis: How good is good enough?,” Powder diffraction, vol. 21, no. 1, pp. 67–70, 2006. Available at: https://doi.org/10.1154/1.2179804

N. D. C. Santana, A. López, L. P. Sosman, and S. S. Pedro, “Photoluminescence of tetrahedrally coordinated Co2+ in magnesium titanate,” Optical Materials, vol. 134, pp. 113119, 2022. Available at: https://doi.org/10.1016/j.optmat.2022.113119

J. Rodríguez-Carvajal, “Recent advances in magnetic structure determination by neutron powder diffraction,” Physica B: Condensed Matter, vol. 192, no. 1–2, pp. 55–69, 1993. Available at: https://doi.org/10.1016/0921-4526(93)90108-I

K. Momma and F. Izumi, “VESTA 3 for three-dimensional visualization of crystal, volumetric and morphology data”, Journal of Applied Crystallography, vol. 44, no. 6, pp. 1272–1276, 2011. Available at: https://doi.org/10.1107/s0021889811038970

H. Cai, S. Liu, Z. Song, and Q. Liu, “Tuning luminescence from NIR-I to NIR-II in Cr3+ -doped olivine phosphors for nondestructive analysis,” Journal of Materials Chemistry C, vol. 9, no. 16, pp. 5469–5477, 2021. Available at: https://doi.org/10.1039/D1TC00521A

B. Jiang, B. Lou, Q. Liu, J. Zhang, F. Chi, and J. Zhang, “Investigation on the valence state stability and optical properties of Mg2GeO4:Cr,” Optical Materials, vol. 150, pp. 115136, 2024. Available at: https://doi.org/10.1016/j.optmat.2024.115136

E. H. H. Hasabeldaim, H. C. Swart, and R. E. Kroon, “Luminescence and stability of Tb doped CaF2 nanoparticles,” Royal Society of Chemistry, vol. 13, no. 8, pp. 5353–5366, 2023. Available at: https://doi.org/10.1039/d2ra07897j