Tantalatos de ítrio dopados com íons terras raras: avaliação das propriedades estruturais, fotoluminescentes e de cintilação para aplicações em fotônica e nanomedicina

• Ano de defesa: 2023
• Autor(a) principal: Labaki, Hayra do Prado
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Nanomedicina; Nanomedicine; Rare earths; Tantalatos de ítrio; Terras raras; Yttrium tantalates
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/59/59138/tde-10042023-082445/

Este trabalho tem como foco principal a preparação de partículas luminescentes de tantalatos de ítrio dopados com íons terras raras e o estudo de suas propriedades estruturais, morfológicas, espectroscópicas e de cintilação visando sua aplicação em Fotônica e Nanomedicina. Os materiais foram sintetizados utilizando o método sol-gel e suas propriedades estruturais vibracionais e ópticas caracterizadas em função de sua composição, dopagem e temperatura de tratamento térmico. Inicialmente, diferentes íons TR3+ (La3+ - Yb3+) foram utilizados como dopantes e esses sistemas submetidos a temperaturas de tratamento distintas o que influenciou a estabilização de diferentes fases cristalinas, Y3TaO7 e M\'-YTaO4. Posteriormente, os tantalatos de ítrio foram dopados com diferentes concentrações de íons Pr3+, e suas propriedades estruturais, morfológicas e vibracionais foram avaliadas. Além disso, essas amostras apresentaram uma intensa emissão na região do infravermelho próximo (NIR) em 1,0 µm (1D2-3F3,4-NIR II). Ademais, foi possível obter uma emissão azul intensa (3P0-3H4) indicando a baixa energia de fônon desse sistema. Essa emissão aumenta em relação à emissão na região do vermelho (1D2-3H4), a medida que aumentamos a concentração de dopante nas amostras, ajustando a cor de emissão. Um perfil espectroscópico semelhante, compreendendo a região do visível e NIR foi verificado para as amostras dopadas com íons Pr3+ e Yb3+. Neste caso, investigou-se também o processo de conversão ascendente, o qual permitiu a obtenção uma intensa emissão na região do azul assim como do verde e vermelho, características do Pr3+, possibilitando a geração de luz branca. Da mesma maneira, as amostras dopadas com Pr3+ e Er3+ apresentaram emissões intensas na região no azul, verde e vermelho, permitindo obter uma luz branca quente ou fria em função da concentração de íons Er3+ adicionada. Além disso, emissões intensas na região do NIR, principalmente em 1,0 (4I11/2-4I15/2) e 1,5 µm (4I13/2-4I15/2) foram observadas. Ademais, via conversão ascendente de energia, emissões características do íon Er3+ na região do verde (2H11/2-4I 5/2, 4S3/2->4 I15/2) e vermelho (4F9/2-4I15/2) também foram observadas. Para as amostras dopadas com íons Tm3+ e Tm3+/Yb3+, diversas emissões na região do infravermelho foram observadas, como em 980 nm (Yb3+: 2F7/2-2F5/2), 1,2 (1G4-3F4), 1,4 (3H4-3F4) e 1,6 µm (3F4-3H6). Uma emissão visível a olho nu na região do ciano foi observada. Além disso, foram realizadas medidas de conversão ascendente de energia mediante excitação em 980 nm para as amostras dopadas com íons Tm3+/Yb3+, observando sua emissão característica na região do NIR em 800 nm (3H4-3H6), sendo essa bem mais intensa do que as emissões na região do azul (475 nm - 1G4-3H6) e vermelho (670 nm - 1G4-3F4). Ainda assim, foi possível a realização de medidas sob excitação em 808 nm, observando também a emissão azul mencionada. Um estudo envolvendo os tantalatos de ítrio dopados com íons Pr3+ também foi realizado de moda a avaliar a sua performance como nanotermômetro. Duas amostras que apresentaram cristalização de fases distintas (P01-M\'-YTaO4 e P05-Y3TaO7) foram escolhidas e apresentaram um bom desempenho como termômetros primários. Além disto, foi avaliada a emissão na região do UV e visível mediante a excitação na região do Raios X, para os materiais dopados com íons Pr3+, Pr3+/Yb3+, Pr3+/Er3+ e Tm3+, assim como para os tantalatos de ítrio sem dopagem, constatando sua eficiente ação como cintiladores. Amostras tridopadas também foram estudadas nesse trabalho, envolvendo os íons Pr3+ , Er3+, Yb3+, Tm3+, Ho3+ e Nd3+ , com o objetivo de investigar a obtenção de uma banda ultra larga, assim como os mecanismos de transferência de energia envolvendo esses íons, observando emissões na região do visível e NIR sob excitação na região do UV, visível ou NIR (980 nm). Além disso, também foi estudada a obtenção de filmes guias de tantalatos de ítrio depositados via dip-coating, com o propósito de obter guias de onda planares para aplicações em Fotônica. Por conseguinte, foi feita a caracterização óptica desses filmes, obtendo-se o número de modos guiados e os ângulos de propagação, bem como o índice de refração efetivo de cada modo em diferentes comprimentos de onda em função da polarização. Vitrocerâmicas de tantalato de ítrio disperso em sílica também foram investigadas neste trabalho. A formação dos tantalatos de ítrio foi verificada através da difração de raios X. Para as amostras dopadas íons Eu3+(0,1-7 mol%), mistura de fases foi observada em ambas as temperaturas de tratamento. Os espectros de emissão mostram bandas largas correspondentes às transições intraconfiguracionais 5D0-7FJ (J = 0, 1, 2, 3 e 4), indicando que os íons Eu3+ estão distribuídos em diferentes sítios de simetria na matriz cúbica Y3TaO7. Conforme a fase M\'- YTaO4 é obtida (amostras com 5,0 e 7,0 mol%), os perfis espectrais se modificam, indicando que o Eu3+ passa a ocupar os sítios de simetria C2 desta estrutura. As curvas de tempo de vida a partir do estado excitado 5D0 apresentam uma curva exponencial simples o que indica a preferencial ocupação dos íons Eu3+ no único sítio de simetria da fase M\'-YTaO4.