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Type: TESE DIGITAL
Degree Level: Doutorado
Title: Investigação das propriedades óptico-estruturais de filmes finos de TiO2 dopados com íons terras-raras para o desenvolvimento de novos materiais emissores de luz
Title Alternative: Investigation of the optical-structural properties of TiO2 doped with rare earth ions towards the development of new light emitting materials
Author: Scoca, Diego Leonardo Silva, 1987-
Advisor: Alvarez, Fernando, 1946-
Abstract: Resumo: O dióxido de titânio, TiO2 , tem atraído grande atenção da indústria devido suas aplicações em dispositivos fotovoltaicos e em (foto-)catálise. O TiO2 é um semicondutor de gap grande e possui duas formas alotrópicas de bastante interesse para a indústria, sendo elas a fase anatase e rutilo, ambas com células unitárias tetragonais. Além disso, o TiO2 é um material relativamente barato e passível de ser sintetizado através de vários métodos diferentes. Por sua vez, os elementos conhecidos como íons terras raras (TR) possuem grande atrativo científico e tecnológico pelo fato de apresentarem a camada eletrônica 4f incompleta e blindada pelas camadas mais externas, sendo utilizados em telecomunicações, lasers, magnetos, displays coloridos etc. Tomando proveito das qualidades do TiO2 e dos íons TRs, o objetivo deste trabalho foi produzir e estudar filmes finos de TiO2 dopados com os elementos Sm, Tb e Tm para o desenvolvimento de novos materiais emissores de luz. Deste modo, além da dopagem individual também foram produzidos filmes finos de TiO2 co-dopados com Sm+Tb, Sm+Tm e Sm+Tb+Tm com o intuito de obter emissões de luz com diferentes comprimentos de onda. As deposições dos materiais foram feitas mediante pulverização catódica (sputtering) de um alvo de titânio, convenientemente adaptado para comportar os precursores sólidos do elemento TR desejado, utilizando um feixe de íons de Ar+ . As condições de deposição resultaram em filmes amorfos com espessura de ~320nm. As características ópticas, estruturais e luminescentes originais destes filmes foram modificadas através de um tratamento térmico cumulativo em um fluxo de oxigênio, ligeiramente superior à pressão atmosférica, a 600, 800, 1000 e 1170°C, com duração de 30 minutos em cada etapa. Os filmes tiveram suas propriedades composicionais e químicas investigadas por Espectroscopia de Elétrons Fotoemitidos, XPS. Medidas de transmissão na região UV-VIS-NIR proporcionaram as informações ópticas, enquanto as propriedades estruturais foram estudadas por espectroscopia Raman. As características da fotoluminescência foram obtidas excitando os TRs3+ de maneira quase ressonante utilizando fótons com 488nm de comprimento de onda. Além disso, filmes selecionados de acordo com suas propriedades particulares tiveram sua fotoluminescência estudada em função da temperatura. Os resultados experimentais indicaram que o tipo de dopagem controla a cinética de evolução de fase do TiO2, na qual os filmes dopados estabilizam a estrutura cristalina na fase anatase, fenômeno bem reportado na literatura, enquanto a fase rutilo é promovida quando os filmes são co-dopados, que é um resultado inesperado para esse sistema. Esse fenômeno é regido pelas vacâncias de oxigênio presentes no material e foi proposta uma abordagem termodinâmica para a descrição de tal comportamento. As emissões de luz dos filmes AD (as deposited) são largas, causadas pela sobreposição das emissões provindas de íons sob efeito de diferentes campos cristalinos. Entretanto, a realização de tratamentos térmicos torna as emissões estreitas nos filmes dopados, mas mantém a característica alargada nos filmes co-dopados, indicando que os íons assumem posições diferentes na matriz quando são inseridos sozinhos ou em conjunto. Finalmente, foi apresentado um novo sensor de temperatura baseado no deslocamento das linhas de emissão do filme TiO2:Tm3+ , tratado a 600°C, em função da temperatura. As causas desse fenômeno são discutidas e comparadas com materiais similares, mostrando a viabilidade desse sistema como sensor remoto de temperatura no intervalo entre -190 e 480°C

Abstract: Titanium dioxide, TiO2 , has been attracted great attention due to their applications in photovoltaic and photo-catalysis. TiO2 is a wide gap semiconductor and have two interesting allotropic forms used by the industry, being them anatase and rutile, both having tetragonal unit cells. Besides that, TiO2 is a relative cheap material and can be easy synthetized from different ways. Take apart, the Rare Earth (RE) ions have a huge scientific and technological appeal because their unfilled and shielded 4f levels, being applied in telecommunication, lasers, magnets, color displays etc. Taking advantage from both TiO2 and RE properties, this work was devoted to study TiO2 thin films doped with Sm, Tb and Tm in order to achieve new light emission materials. Thus, in addition to single doping, TiO2 thin films co-doped with Sm+Tb, Sm+Tm and Sm+Tb+Tm were also produced in order to obtain light emissions at different wavelengths. The depositions were done by sputtering a pure titanium target, properly adapted to support the RE solid precursors, with an Ar + ion beam. The deposition conditions produced amorphous thin films with 320nm of thickness. The original optical, structural and luminescent properties were modified through thermal annealing treatments (30min long) in a flow of oxygen at 600, 800, 1000 and 1170oC. The chemical and compositional properties were investigated by XPS. UV-VIS- NIR transmission measurements provided the optical information, while the structural properties were studied by Raman spectroscopy. The luminescent characteristics were obtained by exciting the RE3+ ions, quasi-resonantly with 488nm photons. Furthermore, some samples had their PL investigated as a function of temperature. All results indicated that the doping details control the dynamic of TiO2 phase transformation such that: the doped films stabilize in the anatase phase (a well know phenomenon), whereas the rutile phase were achieved in the co-doped films (which is unexpected). This behavior is governed by the oxygen vacancies in the TiO2 matrix and a thermodynamic approach was invoked to describe such phenomenon. Luminescence from AD films is broad as a result of overlapping emissions coming from different crystal field experienced by the RE ions. Thermal annealing of the doped films produces sharp luminescent features, whereas the broad signal persisted in the co-doped films, indicating that the RE ions assume different lattice positions whether immersed apart or together. Finally, a new temperature sensor based on the temperature-induced light emission wavelength shift of the Tm3+ -doped TiO2 film is proposed. The phenomenon was discussed and compared with similar temperature sensors, showing the viability of this system as a remote temperature sensor in the -190 to 480oC range
Subject: Dióxido de titânio
Íons das terras raras
Fotoluminescência
Sensor de temperatura
Filmes finos
Language: Português
Editor: [s.n.]
Citation: SCOCA, Diego Leonardo Silva. Investigação das propriedades óptico-estruturais de filmes finos de TiO2 dopados com íons terras-raras para o desenvolvimento de novos materiais emissores de luz. 2018. 1 recurso online (100 p.). Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin, Campinas, SP.
Date Issue: 2018
Appears in Collections:IFGW - Tese e Dissertação

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