Tantalatos e niobatos de terras raras luminescentes: síntese, propriedades e aplicações em fotônica

• Autor(a) principal: Borges, Fernanda Hediger
• Data de Publicação: 2019
• Tipo de documento: Dissertação
• Idioma: por
• Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
• Texto Completo: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/59/59138/tde-30102019-095243/
• topic: Biofotônica; Biophotonics; Espectroscopia; Luminescence; Luminescência; Rare earths; Spectroscopy; Terras raras

Este trabalho tem como foco principal a preparação de nanopartículas luminescentes de tantalatos e niobatos de terras raras dopados com íons terras raras (TR) e o estudo de suas propriedades estruturais e espectroscópicas visando sua aplicação em áreas como Óptica, Fotônica e Biofotônica, especialmente em setores de Saúde, Energia e Telecomunicações. Os materiais foram sintetizados utilizando-se o método sol-gel, sendo suas propriedades estruturais e ópticas caracterizadas em função de sua composição, dopagem e temperatura de tratamento térmico. Os tantalatos de ítrio dopados com íons Eu3+, Er3+ e Yb3+ foram submetidos a diferentes tratamentos térmicos e suas propriedades estruturais foram avaliadas por meio de técnicas como difração de raios X, espectroscopia de absorção no infravermelho e espectroscopia de espalhamento Raman. As fases cristalinas formadas para as diferentes amostras foram a fase ortorrômbica Y3TaO7 e a fase monoclínica M\'-YTaO4, sendo sua formação dependente da concentração dos íons Ln3+ presentes nas amostras, para os materiais sintetizados por esta metodologia. Para menores concentrações de íons Ln3+, pôde ser observada a decomposição da fase Y3TaO7 e formação da fase secundária M\'-YTaO4. Com maiores concentrações de Ln3+, a fase Y3TaO7 passa a ser estabilizada. As propriedades luminescentes foram avaliadas correlacionando-as com a estrutura da matéria. Foi feito o estudo da otimização da concentração de íons Eu3+ nos tantalatos de ítrio e foi observado que a dopagem com estes íons influencia significativamente no processo de cristalização, podendo atrasar o processo de formação da fase M\'-YTaO4 ou estabilizar a fase Y3TaO7 formando uma solução sólida. Os espectros de emissão mostraram bandas largas de emissão, indicando que os íons Eu3+ estão distribuídos em diferentes sítios de simetria na matriz Y3TaO7. Com maior presença da fase cristalina M\'-YTaO4 (concentração de 1 a 5 % em mol de Eu3+), os perfis espectrais de luminescência modificaram-se, indicando que o Eu3+ passa a ocupar outros tipos de sítios de simetria nesta estrutura, assumindo um sítio de simetria C2. A supressão da luminescência é significante apenas para amostras com as mais altas concentrações de Eu3+ (30 e 50 % em mol). Valores de eficiência quântica maiores que 60% foram encontrados para estas amostras, assim como valores de rendimento quântico absoluto de até 30%. Os tantalatos de ítrio dopados com íons Er3+ e Yb3+ foram utilizados para investigação da emissão na região do infravermelho próximo e intensa emissão foi observada na região de 1,5 µm com valores de tempo de vida de até aproximadamente 8 ms para amostras com menor concentração de Ln3+. Foi estudada a emissão na região do visível decorrente de processos de conversão ascendente de energia. Para as menores concentrações de Ln3+, observou-se a emissão preferencial na região do verde, enquanto que o aumento da concentração levou a processos de relaxação cruzada resultando em predominância da emissão na região do vermelho. Valores de rendimento quântico absoluto na região do infravermelho de até 18% e na região do visível de até 0,016% foram obtidos para estas amostras sob excitação em 980 nm, superiores a outros valores encontrados na literatura. Os niobatos de ítrio dopados com os íons Er3+ e Yb3+ foram estudados com o mesmo propósito de investigar emissão nas regiões do infravermelho próximo e do visível. O material tratado a 1100 °C apresentou a fase cristalina cúbica de Y3NbO7. Foi observada intensa emissão em 1,5 µm e valores de tempo de vida de aproximadamente 5 ms. Valores maiores de rendimento quântico absoluto foram obtidos para esta amostra, 18% na região do infravermelho próximo e 0,0020% na região do visível, decorrente de processos de conversão ascendente de energia. Foi avaliado o potencial como termômetros primários das amostras dopadas com 0,5 Er3+/1,5 Yb3+ de tantalatos de ítrio tratados a 900 e a 1100 °C e niobato de ítrio tratado a 1100 °C. A sensibilidade térmica máxima foi de 1,01 ± 0,01, 1,14 ± 0,01 e 1,13 ± 0,02 % K-1 para estas amostras, respectivamente, os melhores valores reportados até hoje para estas matrizes hospedeiras dopadas com Er3+/Yb3+. A repetibilidade das amostras calculada foi superior a 98% para todas as amostras. As três amostras analisadas apresentaram bom desempenho como termômetros primários. A dependência das propriedades luminescentes em função das diferentes estruturas cristalinas gera também uma variação na cor de emissão. Todos estes materiais apresentaram grande potencialidade para aplicação destes em diversas áreas tecnológicas, especialmente como marcadores biológicos e nanotermômetros. Algumas alterações nos parâmetros e metodologias de síntese foram realizadas visando a obtenção de nanopartículas esféricas com menor dimensão, uniformidade da distribuição e dispersáveis. Neste contexto, a utilização de arginina como catalisador básico em meio aquoso para formar tantalatos de ítrio foi a metodologia de síntese que resultou em nanopartículas mais uniformes e dispersas.