A Química Somando Forças: Ensino e Pesquisa com Empreendedorismo e Inovação
Síntese de SiO2-Gd2O3 dopados com íons Er3+/Yb3+ com aplicação em
conversão de energia e telecomunicações
1*
1
2
1
L.A. ROCHA (PG) , G.G. PERCÍLIA (IC) , S. J. L. RIBEIRO (PQ) , M.A. SCHIAVON (PQ) , J.L. FERRARI (PQ)
1**
1
2
Universidade Federal de São João Del Rei – UFSJ, Campus Dom Bosco - Praça Dom Helvécio, 74, Bairro Fábricas.
Instituto de Química de Araraquara – UNESP, R Prof. Francisco Degni, 55, Bairro Quitandinha, CEP 14800-900, Araraquara - SP.
*e-mail: * [email protected],** [email protected]
Palavras chave: upconversion, terras raras, fotônica, telecomunicações.
3+
INTRODUÇÃO
Materiais contendo ions terras raras tem se
destacado no desenvolvimento de dispositivos em
diversas áreas e inclusive nas áreas de fotônica e
biofotônica, devido as suas propriedades diferenciadas
quando incorporados em matrizes com propriedades
adequadas como baixa energia de fônons de rede e
índice de refração controlados. Dentre os íons terras
3+
raras destacam-se os íons Er , que quando
incorporados em matrizes hospedeiras com baixa
energia de fônons de rede, ao serem excitados em
comprimentos de onda de 980 nm, transições
intraconfiguracionais f-f poderão ocorrer resultando em
emissões nas regiões do infravermelho e visível. O íon
3+
Yb
apresenta grande absorção na região do
infravermelho, em aproximadamente 980nm, e devido a
sua alta sessão de choque de absorção pode atuar de
3+
forma eficiente como sensibilizador do íon Er devido a
condições de ressonância entre os íons transferindo essa
3+
energia para os íons Er . O fato de possuir emissões
nas regiões do infravermelho (~1500 nm) e visível,
3+
3+
3+
materiais contendo íons Er ou Er /Yb são utilizados
em uma ampla gama de aplicações que vão desde lasers
de estado sólido, até guias de ondas planares e fibras
ópticas utilizados em telecomunicações. A ampla
3+
3+
3+
aplicabilidade de materiais contendo íons Er e Er /Yb
faz com que pesquisas tem se concentrado no
desenvolvimento de matrizes cada vez mais eficientes
para esses íons. Neste sentido, na literatura sistemas
binários a base de SiO2 e óxidos de metais são relatados
como excelentes matrizes para a incorporação desses
1
íons. Um óxido potencial para a aplicação trata-se do
Gd2O3 por este apresentar boa estabilidade química e
térmica, o que permite ser trabalhado a diferentes
temperaturas e rotas de síntese, além de baixa
modificação nos parâmetros de rede no processo de
3+
dopagem com íons TR devido a proximidade entre os
raios iônicos dos íons terras raras, além da já
comprovada eficiente transferência de energia pelos íons
3+
Gd No presente trabalho busca-se utilizar a matriz
binária SiO2-Gd2O3 como matriz hospedeira para íons
3+
Er no percentual de 0,4% e avaliar as propriedades
3+
fotoluminescentes dos íons Er na região do visível e
infravermelho nesses materiais quando utilizados como
3+
sensibilizadores íons Yb nos percentuais de 1.8, 5 e 9%
em mol.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
De acordo com trabalhos anteriores dos autores
foi otimizada a matriz binária e definida a proporção
4+
3+
70Si -30Gd como ideal para incorporação de íons
terras raras. Dessa forma, os materiais a base de SiO23+
Gd2O3 foram dopados com 0,4% em mol de íons Er e
3+
1,8; 5 e 9% de íons Yb para avaliar a concentração do
íon sensibilizador na fotoluminescência dos íons Er . Os
materiais foram obtidos pelo processo sol-gel utilizando
TEOS, Gd2O3, Er2O3 e Yb2O3, como precursores. Os
óxidos de terras raras foram solubilizados em solução
ácida, substituindo o solvente por etanol anidro. Os sóis
obtidos foram mantidos em estufa a 60°C durante 24
horas, e depois macerados e tratados termicamente a
900, 1000 e 1100°C por 8 horas para obtenção do
3+
3+
sistema SiO2-Gd2O3:Eu /Yb . A partir de análises de
DRX foi possível observar a formação da fase cristalina
cúbica de Gd2O3 sem a presença de fases secundárias,
3+
3+
evidenciando a dopagem efetiva dos íons Er e Yb . A
partir do método de Scherrer foram determinados os
tamanhos de cristalitos que situaram entre 31 e 69 nm.
Pelas análises de Espectroscopia de Fotoluminescência
na região do visível observou-se que todos os materiais
apresentaram emissões no verde e vermelho associadas
3+
ao fenômeno de upconversion dos íons Er , com
predominância na região do vermelho. A partir de
Espectroscopia de fotoluminescência na região do
infravermelho foi observada a emissão característica dos
3+
íons Er na região de 1.5 μm, com amplitude máxima
em 1530 nm, o que lhe confere aplicabilidade em
dispositivos na região da terceira janela de
telecomunicações.
CONCLUSÕES
3+
Com a incorporação de íons Yb
nas
concentrações molares de 1.8, 5 e 9% foi possível avaliar
3+
sua influência como íon sensibilizador dos íons Er , e a
co-dopagem levou à formação de materiais com altas
intensidades de fotoluminescência na região de 1550 nm
e no visível devido ao fenômeno de upconversion. Os
materiais apresentaram emissões nas regiões do verde
2
4
4
4
associada às transições H11/2→ I15/2 e S3/2→ I15/2 e do
4
4
3+
vermelho associada à transição F9/2→ I15/2 dos íons Er
e a partir dos diagramas de cromaticidade (CIE) dos
materiais concluiu-se que há a predominância da
emissão na região do vermelho. Os materiais obtidos
apresentaram propriedades fotoluminescentes ideais
para o desenvolvimento de dispositivos fotônicos para
aplicações em lasers, amplificadores ópticos na região
de 1.5 μm,em dispositivos de conversão de energia e até
mesmo como potenciais materiais para marcadores
biológicos.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a UFSJ pela bolsa concedida, ao
CNPQ, CAPES, Rede Mineira de Química e FAPEMIG pelo
suporte financeiro.
REFERÊNCIAS
1
Ferrari, J. L.; Lima, K. O.; Pecoraro, E.; Gonçalves, R. R.; Ferreira, R. and Carlos,
L. A. D. J. Mater. Chem. 2012, 22, 9901-9908.
XXVIII Encontro Regional da Sociedade Brasileira de Química – MG, 10 a 12 de Novembro de 2014, Poços de Caldas - MG