Materiais nanoestruturados à base de SiO2, GeO2, Nb2O5 e Ta2O5 dopados com terras raras para aplicações em fotônica como amplificadores ópticos, conversores de energia e nanotermometria

Autor(es)

Fábio José Caixeta

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: Ribeirão Preto.
• Instituição: Universidade de São Paulo (USP). Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão Preto (PCARP/BC)
• Data de defesa: 2022-03-18

Membros da banca

Rogéria Rocha Gonçalves; Maria Rute de Amorim e Sá Ferreira André; Hermi Felinto de Brito; Danilo Manzani; Sidney José Lima Ribeiro; Lucas Carvalho Veloso Rodrigues

• Orientador: Rogéria Rocha Gonçalves

Resumo

Neste trabalho são descritos e discutidos a preparação e as caracterizações estrutural, morfológica, espectroscópica e óptica de materiais nanoestruturados à base de silicatos e germanatos de Nb2O5 e Ta2O5 dopados com íons terras raras (TR) e preparados pela metodologia Sol-gel na forma de pó, filme e guia de onda planar. A correlação da estrutura da matéria com as propriedades térmicas, fotoluminescentes e ópticas foi minuciosamente estudada por difração de raios X, espectroscopia vibracional de espalhamento Raman, microscopia eletrônica de transmissão, microscopias óptica e hiperespectral, refletâncias especular e difusa, espectroscopia vibracional de absorção no infravermelho (FTIR), espectroscopia M-line, espectroscopia eletrônica de absorção UV-Vis-NIR e espectroscopia de fotoluminescência. Inicialmente, nanocompósitos na forma de pó, filme e guia de onda planar ativo à base de SiO2-M2O5 (M = Nb, Ta) tridopados com íons TR3+ foram preparados e caracterizados. Após tratamento término a 900 ºC foi possível eliminar eficientemente grupos supressores de fotoluminescência e controlar o processo de cristalização. Isto possibilitou a obtenção de materiais com ampla janela de transparência e que apresentam intensa e alargada emissão na região de 1,5 µm com largura de banda à meia-altura (Full Width at Half Maximum - FWHM) de até 173 nm. Também foram obtidos guias de onda planares ativos à base SiO2-Nb2O5:Nd3+/Er3+/Tm3+ com excelentes propriedades ópticas e com grande potencial de aplicação como amplificadores ópticos de banda larga na região das bandas O, E, S, C, L e U da terceira janela de telecomunicações. Nanocompósitos GeO2-M2O5 (M = Nb, Ta) dopados com íons Eu3+ e na forma de pó também foram preparados e caracterizados. O íon Eu3+ foi utilizado como uma sonda estrutural a fim de se avaliar o ambiente químico do íon TR3+. Foi possível verificar a formação de uma estrutura cristalina complexa contendo principalmente os óxidos GeO2 trigonal e Ta2O5 ortorrômbico, bem como o óxido misto GeO2.9Nb2O5 de estrutura cristalina tetragonal. A estrutura destes materiais influenciou de maneira significativa as suas propriedades fotoluminescentes. Foi verificado emissão a partir do estado excitado 5D1 do Eu3+, evidenciando a obtenção de um material onde os processos de desativação de estados excitados via supressores de luminescência e multifônons da rede são negligenciáveis. Neste sentido, os resultados mostraram uma influência significativa da estrutura do óxido misto GeO2.9Nb2O5 nas propriedades fotoluminescentes destes materiais. Tendo como base os resultados obtidos nos nanocompósitos dopados com íons Eu3+, foram preparados materiais à base de GeO2-M2O5 (M = Nb, Ta) codopados com íons Er3+ e Yb3+. A cristalização destes materiais codopados ocorreu de forma análoga àqueles dopados com íons Eu3+. Também foi observado a formação dos óxidos GeO2 trigonal, Ta2O5 ortorrômbico e do óxido misto GeO2.9Nb2O5 tetragonal. Além disso, também foi verificado a formação em quantidade considerável do tântalato de itérbio (YbTaO4) monoclínico no nanocompósito GeO2-Ta2O5:Er3+/Yb3+. Assim como ocorreu no nanocompósito GeO2-Nb2O5:Eu3+, o óxido misto também influenciou de forma significativa as propriedades fotoluminescentes dos nanocompósitos GeO2-Nb2O5:Er3+/Yb3+. Quando este óxido misto está presente em quantidade apreciável, 1100 ºC, há emissão preferencial na região do verde com alta intensidade e elevado rendimento quântico de conversão ascendente (UPCQY). Nos nanocompósitos GeO2-Ta2O5:Er3+/Yb3+ por sua vez, a formação de YbTaO4 monoclínico influenciou de forma pronunciada as propriedades fotoluminescentes. Emissão quase que somente na região do verde foi verificada nos espectros de conversão ascendente de energia (UPC) quando este óxido está presente. Não somente isto, também foi verificado emissão na região do azul e UPCQY na mesma ordem de grandeza de fluoretos. A partir dos resultados de UPC do nanocompósito GeO2-Ta2O5:Er3+/Yb3+ foi avaliada a possibilidade do seu uso como um termômetro luminescente. Os resultados mostraram que não somente este material funciona como um eficiente termômetro primário quando na forma de pó, mas também quando está disperso em diferentes concentrações em filmes de polimetilmetacrilato (PMMA). Não obstante, os filmes de PMMA contendo o nanocompósito GeO2-Ta2O5:Er3+/Yb3+ se mostraram bons conversores fototérmicos. Por fim, por meio da Microscopia Hiperespectral foi possível avaliar o fluxo de calor à nível nanométrico nestes filmes híbridos. (AU)

• Processo FAPESP: 17/10423-7 - Materiais nanoestruturados à base de Nb2O5 e Ta2O5 dopados com terras raras e com emissão de banda larga na região do infravermelho próximo para aplicação em Fotônica como amplificadores ópticos e conversores de energia
• Beneficiário: Fábio José Caixeta
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado