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ORCID:  http://orcid.org/0000-0002-1187-0269
Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Influência do óxido de nióbio em vidros fosfatos contendo terras raras, obtidos pelo método de fusão, para aplicação em fotônica
Alternate title (s): Influence of niobium oxide on phosphate glasses containing Rare Earths, obtained by the fusion method, for application in photonics
Author: Faleiro, José Henrique
First Advisor: Ferrari, Jefferson Luis
Second Counselor: Silva, Bruno Henrique Sacoman Torquato da
First member of the Committee: Manzani, Danilo
Second member of the Committee: Poirier, Gaël Yves
Third member of the Committee: Lima, Renata Cristina de
Fourth member of the Committee: Assunção, Rosana Maria Nascimento de
Summary: Este trabalho relata o estudo de duas matrizes vítreas fosfatadas à base de pentóxido de fósforo com diferentes quantidades de nióbio, sendo estas: 60P2O5.15ZnO.5Al2O3.10BaO.10PbO (mol%) + xNb2O5 0, 10, 20 e 30% (massa%) (PZABP) e a matriz 40P2O5.20Al2O3.35Na2O.5K2O (mol%) + xNb2O5 0, 10, 20, 30, 40 e 50 (massa%) (PANK), ambos os sistemas contem 0,3; 1,0 e 1,2 % em massa de íons Er3+, Eu3+ e Yb3+ e foram preparadas pelo processo de fusão. Os vidros foram caracterizados por Calorimetria Exploratória Diferencial (CED), Difração de Raios X (DRX), espalhamento Raman, espectroscopia de absorção UV-Vis, fotoluminescência e RMN MAS 31P, MAS 27Al, MAS 93Nb e MAS 23Na. Os experimentos indicam boa incorporação do Nb2O5 no vidro em ambos os sistemas com variação na coloração do transparente para o azul através da redução do nióbio na matriz PZABP e transparente para amarelo claro na matriz PANK. A difratometria de Raios X apresenta alo associado ao caráter amorfo para ambos os vidros. A inclusão de Nb2O5 tem os efeitos direto na conectividade da rede vítrea e nos valores de índice de refração, basicidade óptica, eletronegatividade óptica, energia de Urbach e bandgap direto e indireto para os sistemas analisados. A teoria de Judd-Ofelt é aplicada para análise espectral e os parâmetros de intensidade da matriz PZABP e PANK são usados para estimar os parâmetros espectroscópicos de íons Er3+ no vidro como tempo de vida radiativo, probabilidade de emissão, eficiência quântica e ambiente local. Sob excitação UV, os espectros de emissão apresentaram bandas estreitas atribuídas ao Eu3+, decorrentes das transições 5D0→7FJ (J = 0, 1, 2, 3 e 4) para ambos os sistemas fosfato (PZABP e PANK). Os experimentos de ressonância magnética nuclear (RMN) para a matriz PZABP indicam a aumento da fase metafosfato (Q2) no espectro MAS RMN 31P e favorecimento para coordenação hexacoordenada (NbO6) com a adição do nióbio nos espectro MAS RMN 93Nb. Os espectros MAS RMN 27Al do sistema PZABP indicam a presença do alumínio em quatro, cinco e seis coordenações, prevalecendo espécies de alumínio de seis coordenas nas amostras sem nióbio e quatro coordenadas em sua concentração máxima 30% (massa). Os espectros de MAS RMN 31P para o vidro PANK apresentam o aumento da fase pirofosfato (Q1) com a adição do Nb2O5, já os espectros MAN RMN 23Na não indicaram alteração de estrutura ao redor do Na com adição do mesmo. Em todos os materiais estudados, observou-se que as propriedades fotoluminescentes do íon Eu3+ são apenas ligeiramente modificadas com a quantidade de Nb2O5, além de ser possível confirmar os fenômenos de upconversion. São observados ao menos dois valores distintos de tempo de vida útil do Eu3+ para cada sistema, apresentando curvas com ajustes bi exponenciais, sugerindo uma dispersão de diferentes ambientes iônicos dentro da estrutura do vidro. Os valores de tempo de vida do estado excitado variaram entre 1,6 – 2,1 ms para PZABP e 0,6 – 2,2 ms para amostra PANK. A co-dopagem com Er3+/Yb3+ promove a emissão na região do infravermelho, com máximo em torno de 1535 nm e largura de banda de 30,6 nm para PZABP e 28,3 nm para amostra PANK sob bombeamento de 980 nm. Com base nos resultados, esses vidros podem ser potenciais candidatos para construção de diferentes dispositivos na área de fotônica como conversores de energia na faixa do UV e no infravermelho próximo (região de 900 nm) para o visível, filtros para comprimento de onda UV e na fabricação de fibras ópticas para uso na 3ª janela de telecomunicações
Abstract: This work reports the study of two phosphate glass matrices based on phosphorus pentoxide with different amounts of niobium, these being 60P2O5.15ZnO.5Al2O3.10BaO.10PbO (mol%) + xNb2O5 0, 10, 20, 30% (wt%) (PZABP) and the 40P2O5.20Al2O3.35Na2O.5K2O(mol%) + xNb2O5 0, 10, 20, 30, 40, 50 (wt%) (PANK), both systems contain 0.3, 1.0 and 1.2% by mass of Er3+, Eu3+ and Yb3+ ions and were prepared by the fusion process. The glasses were characterized by Differential Scanning Calorimetry (CED), X-ray Diffraction (XRD), Raman scattering, UV-Vis absorption spectroscopy, photoluminescence and NMR MAS 31P, MAS 27Al, MAS 93Nb e MAS 23Na. The experiments indicate good incorporation of Nb2O5 into the glass in both systems with variation in color from transparent to blue through reduction of niobium in the PZABP matrix and transparent to light yellow in the PANK matrix.X-ray diffractometry shows alo associated with the amorphous character for both glasses. The inclusion of Nb2O5 has direct effects on the connectivity of the glass network and on the values of refractive index, optical basicity, optical electronegativity, Urbach energy and direct and indirect bandgap for the analyzed systems. The Judd-Ofelt theory is applied for spectral analysis and the matrix intensity parameters PZABP and PANK are used to estimate the spectroscopic parameters of Er3+ ions in glass such as radiative lifetime, emission probability, quantum efficiency and local environment. Under UV excitation, the emission spectra showed narrow bands attributed to Eu3+, resulting from the 5D0→7FJ transitions (J = 0, 1, 2, 3 and 4) for both phosphate systems (PZABP and PANK). Nuclear magnetic resonance (NMR) experiments for the PZABP matrix indicate an increase in the metaphosphate phase (Q2) in the 31P MAS NMR spectrum and favoring hexacoordinate coordination (NbO6) with the addition of niobium in the 93Nb MAS NMR spectrum. The 27Al MAS NMR spectra of the PZABP system indicate the presence of aluminum in four, five and six coordinations, with six-coordinate aluminum species prevailing in samples without niobium and four coordinates at their maximum concentration of 30% (mass). The 31P MAS NMR spectra for PANK glass show an increase in the pyrophosphate phase (Q1) with the addition of Nb2O5, while the 23Na MAN NMR spectra did not indicate a change in the structure around Na with its addition. In all materials studied, it was observed that the photoluminescent properties of the Eu3+ ion are only slightly modified with the amount of Nb2O5, in addition to being possible to confirm the upconversion phenomena. At least two distinct Eu3+ lifetime values are observed for each system, presenting curves with bi-exponential adjustments, suggesting a dispersion of different ionic environments within the glass structure. Excited state lifetime values ranged between 1.6 – 2.1 ms for PZABP and 0.6 – 2.2 ms for PANK sample. Co-doping with Er3+/Yb3+ promotes emission in the infrared region, with a maximum around 1535 nm and a bandwidth of 30.6 nm for PZABP and 28.3 nm for the PANK sample under 980 nm pumping. Based on the results, these glasses can be potential candidates for the construction of different devices in the area of photonics such as energy converters in the UV and near-infrared range (900 nm region) to the visible, filters for UV wavelengths and in the manufacturing of optical fibers for use in the 3rd telecommunications window.
Keywords: vidro de fosfato de nióbio
Terras Raras
conversão de energia
fotoluminescência
niobium phosphate glass
Rare Earths
energy conversion
photoluminescence
Area (s) of CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA
CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::QUIMICA INORGANICA
CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::QUIMICA INORGANICA::DETERMINACAO DE ESTRUTURA DE COMPOSTOS INORGANICOS
Subject: Química
Compostos de nióbio
Resíduos de vidro
Fosfatos
Análise por ativação nuclear
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Química
Quote: FALEIRO, José Henrique. Influência do óxido de nióbio em vidros fosfatos contendo terras raras, obtidos pelo método de fusão, para aplicação em fotônica. 2023. 145 f. Tese (Doutorado em Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2023. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.565.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.565
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/39333
Date of defense: 21-Aug-2023
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