Síntese e dopagem com érbio de forsterita nanoestruturada e sua caracterização microestrutural e de propriedades óticas

Abstract

A forsterita é um óxido ternário que pertence ao grupo mineral das olivinas. Sua formula empírica é Mg2SiO4, sendo principalmente composta pelo ânion SiO44- e pelo cátion Mg2+ na proporção molar de 1:2. A estrutura do Mg2SiO4 consiste de tetraedros de (SiO4)4- isolados, onde cada um dos oxigênios do tetraedro é compartilhado por três cátions octaédricos (MgO6). Os sítios octaédricos possuem duas conformações cristalográficas não equivalentes, sendo uma maior e menos organizada em relação à outra, ambos os sítios podem ser substituídos por íons tais como metais de transição e terras raras. Esta conformação estrutural faz da forsterita um promissor hospedeiro para aplicações óticas. Entre as terras raras, destaca-se o érbio que já é amplamente aplicado em telecomunicações. O íon Er3+ apresenta conversão ascendente (absorção de dois fótons de menor energia, com emissão em regiões de maior energia) quando excitado no infravermelho próximo emitindo no UV-vis, mantendo esta propriedade de conversão de energia como dopante em diferentes hospedeiros. Conforme o hospedeiro, as linhas de absorção e emissão podem variar em intensidade e posição no espectro. Em outras palavras, o íon dopante pode apresentar propriedades óticas distintas dependendo do hospedeiro em que for inserido. Devido ao leque de possibilidades que se abrem quando as estruturas de forsterita são dopadas, principalmente quando se trata das suas propriedades óticas, e aproveitando das interessantes propriedades das terras raras, em especial do érbio, neste trabalho foram produzidas diferentes nanoestruturas de forsterita dopadas com érbio (nanopartículas, nanofilmes, estruturas unidimensionais e bulk a partir das nanopartículas) para aplicação em três emergentes distintos campos: Biomedicina, produção de energias limpas e lasers de estado sólido com aplicabilidade em macro e nanodispositivos. O sistema Mg2SiO4:Er3+ é apresentado pela primeira vez nesta tese. As análises de conversão ascendente e descendente para todas as estruturas compostas por este sistema apresentaram atividade na faixa ótica de interesse das aplicações sugeridas. Estas somadas a possibilidade de produção a baixo custo com elevada qualidade, quantidade e reprodutibilidade, tornam o sistema Mg2SiO4:Er3+ um material com potencial aplicação industrial.

Forsterite is a ternary oxide that belongs to the olivine mineral group. Its empirical formula is Mg2SiO4, mainly consisting of SiO44- anions and Mg2+ cations in the molar ratio of 1: 2. The structure of Mg2SiO4 consists of isolated (SiO4)4-tetrahedra, where each of the tetrahedral oxygens is shared by three octahedral cations (MgO6). The octahedral sites have two non-equivalent crystallographic conformations, one being larger and less organized relativily to the other, and both sites can be replaced by ions such as transition metals and rare earths. This structural conformation makes forsterite a promising host for optical applications. Among rare earths, the erbium, which is already widely applied in telecommunications, stands out. The Er3+ ion presents the upconversion phenomenon (absorption of two photons of lower energy, with emission in higher energy regions) when excited in the near infrared with emission in the UV-vis, keeping the upconversion property as dopant in different hosts. According to the host, the absorption and emission lines can vary in intensity and position in the spectrum. In other words, the dopant ion can present distinct optical properties depending on the host in which it is inserted. Based on the forsterite and erbium properties, this present thesis proposes the synthesis of erbium doped forsterite nanostructures (nanoparticles, nanofilms, one-dimensional structures and bulk from nanoparticles) for application in three different emerging fields: Biomedicine, clean energy and solid state lasers with applicability in macro and nanodevices. The Mg2SiO4: Er3+ system is presented for the first time in this thesis, for the best of our knowledge. The upconversion and downconversion analyses for all erbium concentrations studied in this system showed activity in the optical range of interest of the suggested applications. These results, combined with the possibility of low cost production with high quality, quantity and reproducibility make the Mg2SiO4: Er3+ system a material with potential for industrial application.