Dissertação
Síntese e caracterização do BaAl2O4 puro e dopado com Ce e Mn via sol-gel modificado com PVA
Registro en:
MELO, Simone Santos. Síntese e caracterização do BaAl2O4 puro e dopado com Ce e Mn via sol-gel modificado com PVA. 2018. 88 f. Dissertação (Mestrado em Física) - Universidade Federal de Sergipe, São Cristóvão, SE, 2018.
Autor
Melo, Simone Santos
Institución
Resumen
Materials showing optical properties has been widely studied due to their wide applicability. Among them, the family formed by the calcium, strontium and barium aluminates have been studied due to the fact that some of these materials, when doped with certain ions, especially rare earth ones, are able to convert ionizing radiation to visible light. A material that can present such phenomenon is barium aluminate when doped with Cerium and/or Manganese, one of the materials that are object of study in the present work.
The synthesis procedure was based on the PVA-assisted sol-gel route that shows some advantages, like methodologically simple, good homogeneity, process control phases, etc. In the first part of this work, the structural properties of barium aluminate on stoichiometry 1:2:4 (BaAl2O4) were studied upon varying the pH of the starting reactants from 1 to 4 and the synthesis temperature from 600°C to 1100°C during 5h. Samples doped with Ce or Mn and Ce and Mn were produced as well. The structural characterization of the samples was performed using Differential Thermal Analysis and Thermogravimetry (DTA/TG) techniques, showing the thermal events that occurred during the temperature variation, X-ray diffraction (XRD), allowing to find the phases present in the material and the Rietveld refinement, that was used to analyze the percentage amount of each phase in a given sample. The combined results indicated that the best condition to obtain single phase BaAlO4 is with a calcination plateau at 1100°C for 5h using the pH of the starting materials equal to 2.
In the final part of this work, a study of the optical properties of the doped materials was carried out through the X-ray absorption Near Edge Structure (XANES), from where the valence of doping ions (Ce3+, 4+ and Mn2+, 3+) were analyzed, and X-Ray Excitation Optical Luminescence (XEOL) measurements in order to investigate the conversion processes that lead to the scintillation properties of these materials. Te results of the emission spectra of the samples , when excited with X-rays, presented the typical emission related to the electronic transitions of the dopant ions. The excitation spectra revealed that each one of the luminescence channels behaved differently when te excitation energy spams the energy range of the absorption edge of the matrix Ba ions or the absorption edges of the dopants. A mechanism based on the electron – hole pairs formation due to the absorption of X-rays, electron and/or hole trapping, charge recombination and energy transfer to the luminescence centres was presented. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Materiais que apresentam propriedades ópticas vêm sendo bastante estudados devido a sua ampla aplicabilidade, dentre eles estão a família dos aluminatos de Cálcio, Estrôncio e/ou Bário. Alguns desses materiais quando dopados com certos íons, principalmente os terras raras, são capazes de converter radiação ionizante em emissão no visível. Um material que pode apresentar tal fenômeno é o aluminato de Bário quando dopado com Cério e/ou Manganês, material esse, objeto de estudo no presente trabalho.
O método de síntese se deu pela rota sol-gel via PVA, por apresentar algumas vantagens como a simplicidade metodológica, uma boa homogeneidade, controle em etapas do processo, etc. Na primeira parte deste trabalho foram estudadas as propriedades estruturais do aluminato de Bário não dopado (BaAl2O4) variando o pH de 1 ao 4 e a temperatura de síntese de 600°C à 1100°C por 5h, definindo assim a melhor condição de pH, temperatura e tempo de síntese para a produção das amostras dopadas (Ce, Mn, Ce e Mn). As caracterizações estruturais das amostras foram realizadas através de técnicas de Analise Térmica Diferencial e Termogravimetria (DTA/TG), mostrando os eventos térmicos que ocorriam durante a variação de temperatura, difração de raios X (DRX), permitindo encontrar as fases presentes no material e o refinamento Rietveld possibilitando analisar a quantidade em porcentagem de cada fase em uma determinada amostra. Os resultados indicaram que as melhores condições de síntese, nas quais foi obtida a fase cristalina única, foram com temperatura de patamar de calcinação em 1100°C por 5h na amostra produzida com pH de partida igual a 2.
Para a última parte do trabalho foi realizado um estudo das propriedades ópticas dos materiais dopados através das medidas de Espectroscopia de Absorção de raios X na região próxima da borda de absorção (XANES), a fim de descobrir a valência dos íons dopantes (Ce3+,4+ e Mn2+,3+), e luminescência óptica excitada por raios X (XEOL) visando o estudo dos mecanismos de conversão de energia que dão origem ao processo de cintilação nestes materiais. Os resultados indicaram que o espectro de emissão quando excitado com raios X sempre apresenta a luminescência característica dos íons dopantes. Já em relação ao espectro de excitação, os diferentes canais de emissão apresentam comportamentos diferentes a depender da região de excitação, se na borda de absorção do Ba ou se na borda de absorção dos dopantes. Estes resultados foram interpretados em termos dos mecanismos de geração, armadilhamento, recombinação e excitação dos centros luminescentes do material. São Cristóvão, SE