ZnGa2O4:Cr3+ is shown to be a new bright red UV excited long-lasting phosphor potentially suitable for in vivo imaging due to its 650 nm-750 nm emission range. Photoluminescence and X-ray excited radioluminescence show the 2E → 4A2 emission lines of both ideal Cr3+ and Cr3+ distorted by a neighboring antisite defect while long-lasting phosphorescence (LLP) and thermally stimulated luminescence (TSL) almost exclusively occur via distorted Cr3+. The most intense LLP is obtained with a nominal Zn deficiency and is related to a TSL peak at 335K. A mechanism for LLP and TSL is proposed, whereby the antisite defect responsible for the distortion at Cr3+ acts as a deep trap.

Focusing on the use of nanophosphors for in vivo imaging and diagnosis applications, we used thermally stimulated luminescence (TSL) measurements to study the influence of trivalent lanthanide Ln3+ (Ln = Dy, Pr, Ce, Nd) electron traps on the optical properties of Mn2+-doped diopside-based persistent luminescence nanoparticles. This work reveals that Pr3+ is the most suitable Ln3+ electron trap in the diopside lattice, providing optimal trap depth for room temperature afterglow and resulting in the most intense luminescence decay curve after X-ray irradiation. This luminescence dependency toward the electron trap is maintained through additional doping with Eu2+, allowing UV-light excitation, critical for bioimaging applications in living animals. We finally identify a novel composition (CaMgSi2O6:Eu2+,Mn2+,Pr3+) for in vivo imaging, displaying a strong near-infrared afterglow centered on 685 nm, and present evidence that intravenous injection of such persistent luminescence nanoparticles in mice allows not only improved but highly sensitive detection through living tissues.

ZnGa2O4:Cr3+ presents near-infrared long-lasting phosphorescence (LLP) suitable for in vivo bioimaging. It is a bright LLP material showing a main thermally stimulated luminescence (TSL) peak around 318 K. The TSL peak can be excited virtually by all visible wavelengths from 1.8 eV (680 nm) via d–d excitation of Cr3+ to above ZnGa2O4 band gap (4.5 eV–275 nm). The mechanism of LLP induced by visible light excitation is entirely localized around CrN2 ion that is a Cr3+ ion with an antisite defect as first cationic neighbor. The charging process involves trapping of an electron–hole pair at antisite defects of opposite charges, one of them being first cationic neighbor to CrN2. We propose that the driving force for charge separation in the excited states of chromium is the local electric field created by the neighboring pair of antisite defects. The cluster of defects formed by CrN2 ion and the complementary antisite defects is therefore able to store visible light. This unique property enables repeated excitation of LLP through living tissues in ZnGa2O4:Cr3+ biomarkers used for in vivo imaging. Upon excitation of ZnGa2O4:Cr3+ above 3.1 eV, LLP efficiency is amplified by band-assistance because of the position of Cr3+4T1 (4F) state inside ZnGa2O4 conduction band. Additional TSL peaks emitted by all types of Cr3+ including defect-free CrR then appear at low temperature, showing that shallower trapping at defects located far away from Cr3+ occurs through band excitation.

Lu 2(1-x) Y 2x SiO 5 :Ce (10 at% Y) single crystals co-doped with Ca 2+ and Mg 2+ were prepared by the Czochralski technique. It is shown that co-doping leads to significant improvements of the scintillation performances. Afterglow following X-ray excitation is reduced down to 200 ppm after 20 ms and light yield is increased from 28,000 ph/MeV up to 34,000 ph/MeV under 137 Cs-662 keV excitation. X-ray Absorption Near Edge Spectroscopy (XANES) was used to demonstrate that a significant part of the Ce ions are stabilized in the Ce 4+ oxidation state in co-doped crystals. A new scintillation mechanism involving Ce 4+ is proposed.