长余辉材料是一类光照时能吸收和储存激发能,停止激发后能把储存的能量以发光的形式逐渐释放出来的固体发光材料,发光时间可达几小时甚至几十小时,属于蓄光型发光材料。ZnGa2O4作为一种宽禁带((4.5eV)半导体长余辉材料,具有很好的化学和物理稳定性。由于其在夜间照明、场发射、电致发光设备方面显著的应用前景而吸引了大量的目光。近来,有报道称由于ZnGa2O4高分散性的能级和独特的电子结构使得其具有高效的光催化活性,从而有优秀的污水和空气净化能力。随着人们节能环保意识的加强,高效的环保储能材料吸引了社会各界人士的普遍关注,ZnGa2O4晶体结构的独特性和光化学的稳定性使其兼顾储能和环保两方面的优势,受到了众多学者的关注和研究。本文从半导体掺杂引入缺陷能级的角度分析长余辉与光催化性能的内在联系。通过控制掺杂离子的类型,有效的控制光生电子和空穴的复合效率,从而更便捷的通过材料的直接发光、长余辉性能调控材料的光催化性能。本文主要内容包括以下三个方面：采用高温固相法合成了长余辉粉体材料ZnGa2O4和Zn0.9Ga2Ge0.1O4.1。X射线衍射(XRD)图谱显示Ge4+的掺杂并没有引起ZnGa2O4大晶石晶体结构的改变,只是Zn0.9Ga2Ge0.1O4.1的XRD和拉曼图谱显示样品中存在少量Ga203的晶相。所有样品的都在450nm左右有一个属于ZnGa2O4自身发光的宽带谱,其中Zn0.9Ga2Ge0.1O4.1的峰值最大且伴有505n)m左右的窄峰。505nm处出现的窄峰是因为Ga3+占据了Zn2+的位置形成反位缺陷,Ga3+中的p轨道和扭曲的正八面体中的6个氧配位原子相互作用使得3d轨道发生能级劈裂出现新的能级跃迁。当掺杂Ge4+占据Ga3+的格位,出现替位缺陷时,样品的长余辉性能和光催化性能都有所提高。这主要是因为Ge4+的掺杂产生了更多的陷阱能级,更多的光生电子和空穴被陷阱捕获,可以有效的抑制光生电子和空穴的复合效率,延长光生电子和空穴的寿命,从而样品的余辉时间变长。光生电子可以从陷阱中逃逸出来与氧气反应生成氧化能力非常强的超,氧负离子(02-)和羟基自由基(·OH),超氧负离子和羟基自由基可以将大多数有机污染物降解成水和二氧化碳,这个过程叫做光催化。光生电子寿命的延长有利于生成更多的超氧负离子和氢氧自由基,从而样品的光催化性能增强。采用高温固相法合成了ZnGa2O4:x%Cr3+(0,0.5,0.7,1.0和1.1)系列长余辉发光材料。研究了样品的结构、光致发光、余辉发光、余辉衰减。XRD分析结果表明,所制的样品具有相似的结构,均为标准的立方尖晶石结构。样品的余辉发光图谱显示ZnGa2O4的发射光谱与Cr3+的吸收光谱有大面积的重叠。ZnGa2O4Cr3+系列长余辉材料分别在300nm、410nnm、550nm处有三个主要的激发峰,其中用300nm的光激发样品时,ZnGa2O4:Cr3+系列长余辉材料表现出最好的长余辉发光性能。尽管410nnm和550nm是Cr3+的有效吸收波长,但是用410nm的光激发样品时,样品的近红外发光强度衰减的很快,用550nnm的光激发样品时,样品几乎没表现出长余辉的发光性能。在用ZnGa2O4基质吸收的光来激发样品时,随着Cr3+掺杂量的增加,Cr3+近红外发光与ZnGa2O4基质蓝色发光的强度比逐渐增大,并且ZnGa204基质的蓝光荧光寿命逐渐变短。这是因为ZnGa2O4Cr3+系列长余辉材料的近红外继续发光来源于从ZnGa2O4基质到发光中心Cr3+的持续能量传递。采用高温固相法合成了ZnGa2O4:x%Cr3+(0,0.1,0.3,0.5,0.7,1.0和1.5)系列长余辉发光材料。分别用XRD图谱、扫描电镜(SEM)和激光粒度分析仪测试了样品的结构、形貌以及粉体颗粒的大小。各种结果表明ZnGa2O4和ZnGa2O40.5%Cr3+样品的结构相同、形貌相似、具有相近的颗粒大小。测量样品的光催化性能时发现ZnGa2O4:0.5%Cr3+样品的光催化性能比ZnGa2O4样品差很多,几乎没有光催化效果,在两种样品结构、形貌、颗粒尺寸相似的前提下,我们从样品的缺陷能级方面讨论了两者光催化性能的差异,分析可能是Cr3+掺杂减少了ZnGa2O4基质陷阱能级中俘获的光生载流子数量。样品的光致发光谱、余辉衰减曲线、热释光谱的分析结果分别表明,Cr3+掺杂使得样品的直接发光强度变强、余辉衰减变快、陷阱能级中电子数减少。分析结果与光催化性能测试结果一致,我们认为Cr3+掺杂为ZnGa2O4基质引入了复合中心,复合中心有利于光生电子和空穴的复合,所以直接发光强度变强、余辉衰减变快。更多的光生电子和空穴在复合中心复合消失,只有少量的被陷阱束缚而延长寿命,光生电子与氧气反应生成的超氧负离子和羟基自由基减少,样品的光催化性能降低。