Изучение фазового состава нанопорошков галлата магния, синтезированных модифицированным методом Печини с использованием оксида и нитрата галлия в качестве исходных реагентов

Оксидные материалы со структурой шпинели привлекают большое внимание исследователей благодаря своим оптическим и люминесцентным свойствам, хорошей стойкости к радиационному облучению, высокотемпературной и химической стабильности. В частности, соединения галлата магния (MgGa 2 O 4 ) являются перспективными материалами в качестве основы для светоизлучающих диодов (светодиодов), твердотельных лазеров и различных видов технологий отображения, а также люминофоров для различных люминесцентных применений [1]. Важной задачей при синтезе является получение однофазных материалов, поскольку посторонние примеси оказывают негативное влияние на оптические (в частности, люминесцентные) свойства.

Цель настоящего исследования заключалась в изучении влияния исходных галлийсодержащих реагентов на фазовый состав получаемых нанопорошков галлата магния. В качестве метода синтеза нанокристаллических образцов был выбран модифицированный метод Печини, основанный на стандартном методе Печини, представляющий собой разновидность золь-гель синтеза. Модификация заключалась в применении дополнительной температурной обработки в расплаве инертной соли (в нашем случае, хлорида калия). Данный модифицированный метод Печини был ранее успешно реализован нами для синтеза других оксидных матриц [2,3].

В качестве исходных реагентов, влияние которых изучалось на состав порошков, использовались оксид и нитрат галлия (Ga 2 O 3 и Ga(NO 3 ) 3 ). Помимо галлийсодержащего реагента исходными веществами являлись: нитрат магния (Mg(NO 3 ) 2 ), лимонная кислота, азотная кислота, этиленгликоль и хлорид калия. Условия синтеза в обоих случаях были одинаковые: температура и длительность первичного прокаливания – 550 °C 2 часа; вторичного прокаливания в расплаве KCl – 900 °C 3 часа. После двухэтапной термической обработки нанопорошки очищали от остатков соли хлорида калия путем их промывания в дистиллированной воде и центрифугирования, а после сушили в сушильном шкафу.

Для изучения фазового состава нанопорошков применялся рентгенофазовый анализ (РФА), который выполнялся с помощью дифрактометра «D8 Advance Bruker AXS», с излучением Cu-K α 1 длиной волны 1,5406 Å. На рисунке 1 представлены дифрактограммы полученных образцов: (а) – синтезированного с использованием оксида галлия, (б) – синтезированного с использованием нитрата галлия.

Согласно полученным рентгеновским данным можно заключить, что в нанопорошке, полученным с использованием оксида галлия (рис. 1(а)), преобладает фаза галлата магния (MgGa2O4), но помимо нее присутствуют примесные фазы оксидов магния моноклинной и гексагональной сингоний. Образец, полученный с использованием нитрата магния (рис. 1(б)), является однофазным с кристаллической структурой кубического галлата магния (MgGa2O4). Наблюдаемые различия в фазовом составе можно объяснить тем, что в случае оксида галлия, его растворяют в азотной кислоте с образованием соответствующего оксида, а в случае нитрата – реактив растворяют сразу в воде с образованием раствора нитрата. Поскольку оксид галлия является химически инертным, он плохо растворяется в азотной кислоте, вследствие чего, вероятно, происходит его неполное растворение, и в последующих химических реакциях нарушается стехиометрическое соотношение ионов галлия и магния, что выражается в появлении примесных фаз на дифрактограмме (рис. 1(а)).

(a)

(б)

Рис. 1. Дифрактограммы образцов MgGa2O4: (а) – синтезированного с использованием оксида галлия; (б) – синтезированного с использованием нитрата галлия; вертикальными штрихами обозначены данные из рентгеновской картотеки

Таким образом, в ходе исследования фазового состава нанопорошков галлата магния, синтезированных модифицированным методом Печини с использованием различных исходных реагентов, установлено, что предпочтительным с точки зрения получения однофазных образцов является нитрат галлия.