Estudo das propriedades termo-estruturais e ópticas da matriz vítrea LBA na ausência de dopantes intencionais e dopada com TiO2 e/ou Nd3+

Abstract

Uma nova matriz vítrea com composição química nominal, LBA: 50Li2O . 45B2O3 . 5Al2O3 (mol%), sem dopantes intencionais e dopada com TiO2 e/ou Nd3+, foi sintetizada pelo tradicional método de fusão e suas propriedades físicas foram investigadas pelas técnicas de Análise Térmica Diferencial (DTA), Absorção Óptica (AO), Fotoluminescência (PL), Espectroscopia Raman (ER), Microscopia de Força Atômica (AFM), Difração de Raios-X (DRX) e por cálculos realizados com base na teórica JMAYK e na Teoria de Judd-Ofelt (JO). Foi investigado a cinética de cristalização da matriz LBA, não dopada, bem como as fases cristalinas formadas (LiBO2 e Li3AlB2O6) durante o processo de tratamento térmico a 450°C, por intervalos de tempo crescentes, na faixa de 1h a 7h. Cálculos JMAYK, conjuntamente com Medidas de AFM, revelaram que a cristalização inicia-se preferencialmente na superfície e evolui para o volume em função do tempo de tratamento. Os parâmetros térmicos e a energia de ativação do sistema vítreo LBA foram obtidos pelo Método Não Isotérmico de análise de reações térmicas. Também foi investigada a cinética de cristalização da matriz LBA, não dopada e dopada com concentrações crescentes de xTiO2 (x = 0; 0,5; 1,0; 1,5; ...; 5,0)(wt%) , bem como as fases cristalinas formadas (LiBO2, LiAlO2 e LiTiO2), durante o processo de tratamento térmico na primeira e na segunda temperatura de máximo da cristalização, TC1 e TC2, por intervalos de tempo crescentes. Análises térmicas e estruturais evidenciaram uma competição entre fases cristalinas, LiAlO2 - LiTiO2, devido à co-dopagem com TiO2. A matriz vítrea LBA proposta neste trabalho, foi sugerida como meio hospedeiro para íons de neodímio, a fim de investigar a influência da variação do campo cristalino nos parâmetros espectroscópicos deste sistema. Para obter tais parâmetros, utilizou-se a Teoria de Judd-Ofelt. Foram calculados os parâmetros de intensidade, Ω9; probabilidade de emissão espontânea, (( "#/ , %)´); a taxa de ramificação, ( "#/ , %)´); a seção eficaz de emissão +(,, ,´); eficiência quântica (,); o tempo de vida radiativo 056 e a qualidade espectroscópica, 7. A codopagem com TiO2 modificou o ambiente químico e promoveu variação significativa da qualidade espectroscópica. Além disso, diminui a intensidade de absorção da “banda água” (OH). Está é uma importante fonte de supressão de luminescência (quenching). Foi investigado a devitrificação da matriz LBA, um importante passo na elucidação da estrutura vítrea, bem como, sugerimos a aplicação em sistemas fotônicos, quando dopada com Nd3+ e/ou codopada com TiO2. Por fim, nós esperamos que estes resultados possam incentivar novas pesquisas sobre esta matriz vítrea utilizando outras técnicas de caracterização. _________________________________________________________________________ ABSTRACT

A new glass matrix with chemical nominal composition, LBA: 50Li2O . 45B2O3 . 5Al2O3 (mol%) without intentional doping and doped with TiO2 and/or Nd3+ was synthesized by the traditional fusion method and their physical properties were investigated by the Differential Thermal Analysis, Optical Absorption, Photoluminescence, Micro Spectroscopy Raman, Atomic Microscopy Force and X-ray Diffraction techniques, and by the calculation performed on the basis of JMAYK and Judd-Ofelt (JO) theories. Were investigated crystallization kinetic of undoped LBA matrix, as well as, crystalline phase formed (LiBO2 e Li3AlB2O6) during heat treatment process at 450°C, by increasing time intervals in the range of 1 to 7 hour. Calculations JMAYK together with AFM measurements revealed that the crystallization starts and progresses preferentially at the surface for volume as a function of treatment time. Thermal parameters and the activation energy of the glass system LBA were obtained by Non-Isothermal analysis method of thermal reactions. Was also investigated the crystallization kinetics of the matrix LBA, doped and undoped, with increasing concentrations of xTiO2 (x = 0; 0,5; 1,0; ...; 5,0)(wt%), as well as, the crystalline phases formed (LiBO2, LiAlO2 e LiTiO2) during the heat treatment process on the first and second maximum temperature of crystallization, TC1 and TC2, for increasing time intervals. Thermal and structural analysis revealed a competition between crystalline phases, LiAlO2 - LiTiO2 due to presence with TiO2. The glassy matrix LBA proposed in this work was tested as a host medium, for neodymium ions in order to investigate the influence of the XI variation in the crystal field on the spectroscopic parameters of this system. For these, we used the Judd-Ofelt theory. They were calculated the intensity parameters, Ω9; the spontaneous emission probability, (( "#/ , %)´); the branching rate, ( "#/ , %)´); the effective emission section, +(,, ,´); the quantum efficiency, (,); the radiative life time, 056; and spectroscopic quality, 7. The presence of TiO2 modifies the environment and promotes significant variation of spectroscopic quality. It also decreases the absorption intensity of the “water” band (OH). This is an important source of suppression of luminescence (quenching). Was investigated the devitrification of LBA matrix, an important step in the elucidation of the glassy structure, as well as, we suggest the application in photonic systems, when doped with Nd3+ and/or doped with TiO2. Finally, we hope that these results will encourage further research on this glass matrix using other characterization techniques.