Estudio de los factores que afectan la luminiscencia del Eu3+ en las matrices de Y2O3 y Gd2O3

Abstract

RESUMEN En esta tesis presentamos el estudio de la influencia de tres parámetros sobre las propiedades luminiscentes de los iones Eu3+ incorporados en matrices de sesquióxidos metálicos tales como el Y2O3 y el Gd2O3. Dichos parámetros fueron: la concentración de la atenuación de la luminiscencia o Quenching, la sensibilización por adición de un co-dopante y por último la modificación de la morfología en la matriz anfitrión. El primer parámetro, la concentración de atenuación luminiscencia (Ver capítulo 4), fue estudiado empleando nanocristales de Gd2O3:Eu3+ donde se pudo observar que este parámetro depende fuertemente de la interacción entre los iones O2����� y los iones Eu3+. Teniendo en cuenta que todos los materiales presentaron la fase cúbica se pudo desarrollar un modelo que sirvió para predecir las curvas experimentales de intensidad de la emisión y las curvas de tiempo de vida, lo anterior permitió estudiar a fondo las interacciones entre los iones O2- y los iones Eu3+ dentro de la matriz de Gd2O3. Acá se consideró que tales interacciones están gobernadas por los siguientes procesos de transferencia de energía: la transferencia directa de energía (O2����������E�����3+), transferencia por retroalimentación o back-transfer (Eu3+�����O2�����), y relajación transversal o migración directa de energía (Eu3+�����E�����3+). La solución exacta de este modelo concordó con los resultados experimentales, y reproduce de manera precisa la concentración de atenuación de la luminiscencia o Quenching de estos sistemas mostrándonos que los procesos de transferencia de energía directa y la relajación cruzada entre iones de naturaleza semejante son los mayores responsable de la atenuación de la luminiscencia, por otro lado la retroalimentación o back-transfer ayuda la emisión de los iones Eu3+ dentro de la matriz de Gd2O3. Por otro lado para estudiar la sensibilización del ion Eu3+ en una matriz de alta eficiencia como es Y2O3 se empleó un codopante como es el ion Gd3+ que absorbe de manera efectiva en el UV. Acá se analizaron las propiedades luminiscentes de los nanocristales de (Y1-x-yEuxGdy)2O3 bajo una excitación radiativa con una energía igual a 260nm (Ver capítulo 5). Las concentraciones de los iones Eu3+ los iones Gd3+ se eligieron con ayuda de un diseño de experimentos (Con sus siglas en ingles DOE) factorial n3+1. Las propiedades ópticas de estos materiales se estudiaron como una función de la concentración de dopante. En este trabajo se empleó el Análisis de la Varianza (Con sus siglas en ingles ANOVA) experimental para estudiar las posibles dependencias entre las variables de entrada (concentración de dopantes) y las variables de salida. Como resultados, se presenta un 2 modelo estadístico que ajusta de manera aceptable con los datos experimentales. Este modelo simplista explica los procesos de transferencia de energía entre los iones Eu3+ y Gd3+ como factores [Eu3+]2 (Eu3+����� E�����3+), [Gd3+]2 (Gd3+����� Gd3+) y [Eu3+][Gd3+] (Gd3+����� E�����3+). Adicional a lo anterior se desarrolló un modelo de ecuaciones de razón que complemento el modelo estadístico permitiéndonos explicar la fenomenología que envuelve la dinámica de fluorescencia de los nanomateriales dopados con Eu3+ y Gd3+ bajo excitación UV. Finalmente la morfología de la matriz que aloja el ion Eu3+ (Y2O3:Eu3+) fue modificada durante su síntesis por co-precipitación Homogénea con Urea o con sus siglas en ingles UHP (Ver capítulo 6) empleando tensoactivos de diferente carga eléctrica y variando su concentración. Para tener un control de los cambios realizados en la síntesis, se utilizará el diseño de experimentos para estudiar los efectos del tipo de tensoactivos empleados (CTAB positivo, SDS negativo y Tritón-x neutro) así como las concentraciones de los mismos. También se monitoreó las propiedades estructurales y morfológicas de los nanocristales luminiscentes ya estabilizados térmicamente. Lo anterior mediante técnicas convencionales como son difracción de rayos x y microscopia electrónica de transmisión con el modo de contraste Z. La modificación del método de co-precipitación con tensoactivos trajo consigo una disminución de la aglomeración y en consecuencia una disminución de los puentes de oxígeno, una disminución del tamaño del nanocristal y diferentes morfologías, entre ellas esferas bien definidas de Y2O3:Eu3+, todo lo anterior en comparación de la reacción sin tensoactivo. Al analizar los resultados obtenidos y los espectros de emisión comprobamos la fuerte dependencia que hay entre la intensidad luminiscente con las propiedades morfológicas y estructurales.