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Title: Desenvolvimento de monólitos vítreos sílicoaluminosos dopados com lantanídeos pelo processo sol-gel com perspectivas de uso em lasers.
Other Titles: Development of silicoaluminous glass monoliths doped with lanthanides by the sol-gel process with prospects for use in lasers
???metadata.dc.creator???: BURITI, Josué da Silva.
???metadata.dc.contributor.advisor1???: MORAIS, Crislene Rodrigues da Silva.
???metadata.dc.contributor.referee1???: LIRA, Hélio de Lucena.
???metadata.dc.contributor.referee2???: OLIVEIRA, Francisco Carlos de.
???metadata.dc.contributor.referee3???: OLIVEIRA, Djane de Fátima.
???metadata.dc.contributor.referee4???: MORAIS, Soraya Alves de.
Keywords: Engenharia de Materiais;Monólitos Vítreos - Dopagem;Espectroscopia;Sol-Gel – Métodos de Síntese;Processo Sol-Gel - Monólitos Vítreos Silicoaluminosos;Lasers - Dispositivos Fotônicos;Materials Engineering;Glassy Monoliths - Doping;Optical Spectroscopy;Sol-Gel - Synthesis Methods;Sol-Gel Process - Silicoaluminous Glass Monoliths;Lasers - Photonic Devices
Issue Date: 31-Aug-2016
Publisher: Universidade Federal de Campina Grande
Citation: BURITI, J. da S. Desenvolvimento de monólitos vítreos sílicoaluminosos dopados com lantanídeos pelo processo sol-gel com perspectivas de uso em lasers. 2016. 153 f. Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais), Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Centro de Ciências e Tecnologia, Universidade Federal de Campina Grande - Paraíba - Brasil, 2016. Disponível em: http://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/jspui/handle/riufcg/14180
???metadata.dc.description.resumo???: O processo sol-gel é um dos métodos de síntese para obtenção de materiais a baixas temperaturas, com propriedades específicas e alta pureza. Especificamente, é baseado em reações de polimerização e uso de precursores alcóxidos dissolvidos em solventes orgânicos. O método pode ser usado para obtenção de sistemas com grande potencial em aplicações fotônicas. Entre os principais ativadores lasers, destacam-se os íons lantanídeos, os quais podem ser usados como dopantes em materiais vítreos. Desta forma, este trabalho teve como objetivo, desenvolver monólitos vítreos silicoaluminosos puro e dopados com íons de neodímio, érbio e hólmio pelo processo sol-gel, via catálise ácida. As proporções molares do tetraetilortosilicato (TEOS) : etanol absoluto : água deionizada : acetato de alumínio:ácido nítrico foram 1 : 2 : 2 : 0,03 : 0,05 mol, respectivamente. Para todos os monólitos foram utilizadas as mesmas proporções, diferenciando apenas os percentuais dos íons lantanídeos (0,5%; 1%; 2%; 4%; 5% e 10%) e o tipo da solução (A ou B). A solução A foi obtida dissolvendo o óxido do lantanídeo em ácido clorídrico (HCl), a qual foi realizada retrolavagem com água deionizada e etanol, já para a solução B não foi aplicado o processo de retrolavagem, apenas dissolveu-se os óxidos em ácido clorídrico e etanol. Para a obtenção dos monólitos, foram adicionados as soluções precursoras em um Erlenmeyer e o sistema foi mantido a 60°C sob agitação por 2 horas. Para o controle do tempo de secagem, os recipientes (moldes + mistura) foram pesados e monitorados durante 50 dias. Após o tempo de secagem, os monólitos foram submetidos a tratamento térmico a 250°C por uma hora. Os monólitos foram caracterizados por Termogravimetria (TG), Análise Térmica Diferencial (DTA), Difração de raios-X (DRX), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Microdureza Vickers (HV), Espectroscopia Vibracional de Absorção na Região do Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR), Espectroscopia de Absorção Eletrônica na Região do UV-visível (UV-VIS) e Espectroscopia de Luminescência (EL). O processo sol-gel demonstrou ser eficaz na obtenção dos monólitos puro e dopados com neodímio, érbio e hólmio em diferentes percentuais. O tempo mínimo e máximo de secagem foram 17 e 25 dias, respectivamente. Pelas curvas TG/DTG, verificou-se que a estabilidade térmica dos monólitos diminuiu com o aumento do percentual do íon lantanídeo, verificado pela elevação da perda de massa total, atribuído a maior desordem no sistema. Pela técnica de DRX, foram observadas bandas com intensidade máxima próximas a 23°(2θ), características de materiais amorfos. Pelo FTIR, observou-se um deslocamento de banda em aproximadamente 950 cm-1, atribuído à dopagem do íon lantanídeo. Verificou-se pelos espectros UV-VIS picos máximos em torno de 574, 376 e 450 nm, correspondendo às transições dos íons de neodímio, érbio e hólmio, respectivamente. A partir da espectroscopia de luminescência dos monólitos vítreos dopados com neodímio, verificou-se emissões referentes às transições 4F3/2 → 4 I11/2 e 4F3/2 → 4 I13/2, em 1060 e 1340 nm, respectivamente. Para os dopados com érbio, observou-se emissão referente à transição 4 I13/2 → 4I15/2, em 1520 nm. As intensidades das emissões foram maiores para os monólitos dopados com íon de neodímio a partir da solução B do íon lantanídeo, com maior intensidade para o dopado com 2% (2%Nd3+[B]25). Assim, os monólitos vítreos dopados com íons lantanídeos possui grande potencial para aplicações em dispositivos fotônicos, como meio ativo para lasers de estado sólido.
Abstract: The sol-gel process is one of the synthetic methods for obtaining materials at low temperatures, with specific properties and high purity. Specifically, it is based on polymerization reactions, and use of alkoxide precursor dissolved in organic solvents. The method can be used to obtain systems with great potential for photonic applications. Among the major laser activators, there are the lanthanide ions, which can be used as dopants in glassy materials. Thus, this study aimed to develop pure vitreous silico-aluminous monoliths pure and doped with neodymium, erbium and holmium ions by the sol-gel process, via acid catalysis. The molar ratios of tetraethylorthosilicate (TEOS) : absolute ethanol : deionized water : aluminum acetate : nitric acid were 1 : 2 : 2 : 0.03 : 0.05 mol, respectively. For all the monoliths same proportions were used, differing only the percentage of lanthanide ions (0.5%, 1%, 2%, 4%, 5% and 10%) and the type of solution (A or B). Solution A was obtained by dissolving the lanthanide oxide in hydrochloric acid (HCl), which was performed backwashing with deionized water and ethanol, while for the solution B was not applied backwash process, only dissolved oxides in hydrochloric acid and ethanol. To obtain the monoliths were added precursor solutions in a flask, and the system was maintained at 60°C under stirring for 2h. To control the drying time, the containers (molds + mixture) were weighed and monitored for 50 days. After the drying time, the monoliths were subjected to heat treatment at 250°C for one hour. The monoliths were characterized by Thermogravimetry (TG), Differential Thermal Analysis (DTA), X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), Vickers Microhardness (VH), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Ultraviolet–visible Spectroscopy (UV-VIS) and Luminescence Spectroscopy (LS). The sol-gel process was effective in obtaining pure monoliths and doped with neodymium, erbium and holmium in different percentages. The minimum and maximum drying time there were 17 and 25 days, respectively. From TG/DTG curves, it has been found that the thermal stability of the monolith decreases with increasing percentage of the lanthanide ion, verified by the increase on the weight loss, attributed to a greater disorder of the system. From XRD, bands were observed with a maximum intensity at 23°(2θ), which characterizes amorphous materials. From FTIR, there was a band offset at approximately 950 cm-1, attributed to the lanthanide ion. It also has been found UV spectrum maximum peaks around 574, 376 and 450 nm corresponding to transitions of the neodymium, erbium and holmium ions, respectively. From the luminescence spectroscopy of neodymiumdoped vitreous monoliths, it has been found emissions related to transitions 4F3/2 → 4 I11/2 and 4F3/2 → 4 I13/2, 1060, and 1340 nm, respectively. For the ones doped with erbium, emission was observed regarding the transition 4 I13/2 → 4I15/2 at 1520nm. The intensities of the emissions were higher for the monoliths doped with neodymium ions from the solution B of the lanthanide ion, with greater intensity for the one doped with 2% (2% Nd3+[B]25). Thus, the vitreous monoliths doped with lanthanide ions a has great potential for applications in photonic devices, as the active mean for solid-state lasers.
Keywords: Engenharia de Materiais
Monólitos Vítreos - Dopagem
Espectroscopia
Sol-Gel – Métodos de Síntese
Processo Sol-Gel - Monólitos Vítreos Silicoaluminosos
Lasers - Dispositivos Fotônicos
Materials Engineering
Glassy Monoliths - Doping
Optical Spectroscopy
Sol-Gel - Synthesis Methods
Sol-Gel Process - Silicoaluminous Glass Monoliths
Lasers - Photonic Devices
???metadata.dc.subject.cnpq???: Engenharia de Materiais e Metalúrgica
URI: http://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/jspui/handle/riufcg/14180
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