Publicação: Impacto do nióbio em materiais luminescentes: vidros fosfato nanoestruturados com CdS e dopados com terras raras
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CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA DA MATERIA CONDENSADA
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O pentóxido de nióbio (Nb2O5), quando incorporado a vidros dopados com íons terras raras trivalentes (TR3+), tem despertado um crescente interesse da comunidade cientifica em virtude de seu potencial para o desenvolvimento de materiais luminescentes destinados a aplicações em dispositivos ópticos. Neste estudo, foram investigados dois conjuntos de amostras baseados na matriz de vidro fosfato PANK: PANK – zNb2O5 e PANK – yCdS – zNb2O5, ambos dopados com óxidos de neodímio (Nd2O3) e európio (Eu2O3). O objetivo consistiu em investigar o impacto da adição de Nb2O5 sobre as propriedades estruturais e luminescentes desses sistemas vítreos. As amostras foram caracterizadas por espectroscopia Raman, absorção óptica, fotoluminescência (PL), fotoluminescência resolvida no tempo, incluindo medidas em função da temperatura e análise térmica diferencial (DTA). Os resultados indicam que o Nb2O5 atua predominantemente como formador de rede, promovendo a redução da energia de fônon dos sistemas vítreos. Essa modificação estrutural foi corroborada pelo aumento da razão de intensidade relativa (R) e do parâmetro de intensidade de Judd–Ofelt (Ω_2), os quais indicaram maior assimetria dos sítios ocupados pelos íons TR3+. Nas amostras dopadas com Eu2O3, os espectros de PL mostraram que a incorporação de Nb2O5 eleva a intensidade da banda de emissão centrada em 612 nm, associada à transição hipersensível (5D0 → 7F2). A análise das curvas de decaimento de PL revelou que, no sistema nanoestruturado com nanocristais (NCs) de CdS, os íons TR3+ distribuem–se entre dois sítios médios distintos de baixa simetria. No sistema vítreo sem CdS, por outro lado, esses íons ocupam um único sítio médio de baixa simetria. Em ambos os conjuntos investigados, os tempos de vida dos níveis metaestáveis 4F3/2 do Nd3+ e 5D0 do Eu3+ diminuíram com o aumento da concentração de Nb2O5, indicando que as alterações estruturais estão modulando as taxas de emissão radiativa e não radiativa dos íons TR3+. Todas as amostras analisadas apresentaram razão de ramificação igual ou superior a 70% para a transição hipersensível do Eu3+. No sistema vítreo sem CdS, a eficiência quântica de PL do Eu3+ aumentou de 79%, na amostra livre de Nb2O5, para 93%, na amostra com a maior concentração de Nb2O5. Esses resultados demostram que o Nb2O5 atua como um eficiente modular e aprimorador das propriedades estruturais e luminescentes de vidros fosfato, tornando os vidros fosfato–nióbio promissores para o desenvolvimento de materiais fotoluminescentes avançados com potencial para aplicações em dispositivos fotônicos.
Abstract
Niobium pentoxide (Nb2O5), when incorporated into glasses doped with trivalent rare–earth ions (RE3+), has attracted growing interest from the scientific community due to its potential for the development of luminescent materials for optical device applications. In this study, two sets of samples based on the PANK phosphate glass matrix were investigated: PANK – zNb2O5 and PANK – yCdS – zNb2O5, both doped with neodymium oxide (Nd2O3) and europium oxide (Eu2O3). The objective was to investigate the impact of Nb2O5 addition on the structural and luminescent properties of these glass systems. The samples were characterized by Raman spectroscopy, optical absorption, photoluminescence (PL), time–resolved photoluminescence, including temperature–dependent measurements, and differential thermal analysis (DTA). The results indicate that Nb2O5 acts predominantly as a network former, promoting a reduction in the phonon energy of the glass systems. This structural modification was corroborated by the increase in the relative intensity ratio (R) and in the Judd–Ofelt intensity parameter (Ω_2), which indicated greater asymmetry of the sites occupied by the RE3+ ions. In the Eu2O3–doped samples, the PL spectra showed that the incorporation of Nb2O5 increases the intensity of the emission band centered at 612 nm, associated with the hypersensitive transition (5D0 → 7F2). The analysis of the PL decay curves revealed that, in the nanostructured system containing CdS nanocrystals (NCs), the RE3+ ions are distributed between two distinct low–symmetry average sites. In the glass system without CdS, on the other hand, these ions occupy a single low–symmetry average site. In both investigated sets, the lifetimes of the metastable 4F3/2 level of Nd3+ and the 5D0 level of Eu3+ decreased with increasing Nb2O5 concentration, indicating that the structural changes are modulating the radiative and non–radiative emission rates of the RE3+ ions. All analyzed samples exhibited branching ratios equal to or greater than 70% for the hypersensitive Eu3+ transition. In the glass system without CdS, the PL quantum efficiency of Eu3+ increased from 79% in the Nb2O5–free sample to 93% in the sample with the highest Nb2O5 concentration. These results demonstrate that Nb2O5 acts as an efficient modulator and enhancer of the structural and luminescent properties of phosphate glasses, making niobium–phosphate glasses promising for the development of advanced photoluminescent materials with potential applications in photonic devices.
Palavras-chave
vidro fosfato, phosphate glass, pentóxido de nióbio, niobium pentoxide, íons terras raras, rare–earth ions, NCs de CdS, CdS NCs, energia de fônon, phonon energy, parâmetros de Judd–Ofelt, Judd–Ofelt parameters, eficiência quântica, quantum efficiency, materiais luminescentes, luminescent materials
Citação
SILVA NETO, Luiz Pereira. Impacto do nióbio em materiais luminescentes: vidros fosfato nanoestruturados com CdS e dopados com terras raras. 2026. 173 f. Tese (Doutorado em Física) – Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2026. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2026.483.
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