Publicação: Termometria óptica em vidros fosfatos dopados com Sm3+ e Ho3+: transferência de energia e modelo LIR de múltiplos processos
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CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA DA MATERIA CONDENSADA::PROPRIEDADES TERMICAS DA MATERIA CONDENSADA
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Resumo
Neste trabalho foram investigadas as propriedades espectroscópicas e termo-ópticas de
vidros fosfatos do sistema PAN10K (40P2O5−15Al2O3−35Na2O−10K2O) dopados com
íons Sm3+ e co-dopados com Ho3+, com ênfase na compreensão dos mecanismos de transferência de energia e sua aplicação em termometria óptica. As amostras foram obtidas
pelo método de fusão e caracterizadas por espectroscopia de absorção óptica, fotoluminescência e tempo de vida em função da temperatura e por espectroscopia Raman. Os
espectros de absorção evidenciaram a incorporação e ciente dos íons terras-rara na matriz
vítrea, enquanto os espectros Raman permitiram correlacionar a estrutura da rede fosfato
com os processos ópticos observados. A análise das emissões do Sm3+ revelou a influência
da concentração de dopantes sobre os fenômenos de quenching por concentração e sobre
a dinâmica dos processos radiativos e não radiativos. Nas amostras dopadas com Sm3+
e co-dopadas com Ho3+, observou-se que o íon Ho3+ atua como modulador da estrutura
de níveis eletrônicos do Sm3+, favorecendo mecanismos de transferência de energia e alterando a resposta térmica do sistema. A dependência da intensidade luminescente com
a temperatura foi descrita pelo modelo de Arrhenius modificado, envolvendo múltiplos
processos ativados termicamente, permitindo a obtenção de energias de ativação associa
das aos mecanismos de desativação não radiativa e ativação radiativa. Com base nesses
resultados, foi desenvolvido um modelo multiprocessos de termometria óptica fundamentado na razão entre intensidades luminescentes (LIR), capaz de descrever adequadamente
a resposta térmica das amostras em diferentes condições de dopagem. A amostra contendo 0.5% de Sm3+ e 3% de Ho3+ apresentou a maior sensitividade relativa, atingindo
1.90%K−1 em 300 K. Os resultados obtidos evidenciam que a resposta termométrica de
sistemas co-dopados não pode ser descrita exclusivamente pelo modelo simplificado de
populações térmicas acopladas, uma vez que os processos de transferência de energia e
relaxação não radiativa podem desempenhar papel relevante na dinâmica populacional
dos níveis emissores. Dessa forma, este trabalho contribui para uma compreensão mais
abrangente dos mecanismos físicos envolvidos na termometria óptica baseada em luminescência.
Abstract
This study investigated the spectroscopic and thermo-optical properties of phosphate glas
ses belonging to the PAN10K system (40P2O5−15Al2O3−35Na2O−10K2O), doped with
Sm3+ ions and co-doped with Ho3+, with a focus on understanding energy transfer mecha
nisms and their application in optical thermometry. The samples were prepared via the
melt-quenching method and characterized using optical absorption spectroscopy, pho
toluminescence (including temperature-dependent lifetime measurements), and Raman
spectroscopy. Absorption spectra demonstrated the e cient incorporation of rare-earth
ions into the glass matrix, while Raman spectra allowed for correlating the phosphate
network structure with the observed optical processes. Analysis of Sm3+ emissions revea
led the inuence of dopant concentration on concentration quenching phenomena and on
the dynamics of radiative and non-radiative processes. In samples doped with Sm3+ and
co-doped with Ho3+, the Ho3+ ion was observed to modulate the Sm3+ electronic energy
level structure, thereby facilitating energy transfer mechanisms and altering the system’s
thermal response. The temperature dependence of luminescence intensity was descri
bed using a modi ed Arrhenius model involving multiple thermally activated processes,
enabling the determination of activation energies associated with non-radiative deactiva
tion and radiative activation mechanisms. Based on these results, a multi-process optical
thermometry model grounded in the luminescence intensity ratio (LIR) was developed;
this model is capable of accurately describing the thermal response of the samples under
various doping conditions. The sample containing 0.5% Sm3+ and 3% Ho3+ exhibited the
highest relative sensitivity, reaching 1.90% K−1 at 300 K. The results demonstrate that
the thermometric response of co-doped systems cannot be described exclusively by the
simpli ed model of coupled thermal populations, since energy transfer and non-radiative
relaxation processes can play a signi cant role in the population dynamics of the emitting
levels. Thus, this work contributes to a more comprehensive understanding of the physical mechanisms involved in luminescence-based optical thermometry.
Palavras-chave
termometria óptica, Optical thermometry, vidros fosfatos, Sm3+, Ho3+, transferência de energia, Arrhenius modificado, quenching térmico, LIR, phosphate glasses, energy transfer, modified Arrhenius, thermal quenching
Citação
COUTINHO, Alan de Oliveira. Termometria óptica em vidros fosfatos dopados com Sm3+ e Ho3+: transferência de energia e modelo LIR de múltiplos processos. 2026. 119 f. Dissertação (Mestrado em Física) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2026. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2026.11015
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