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http://www.repositorio.ufal.br/jspui/handle/123456789/14694
Tipo: | Dissertação |
Título: | Efeitos da concentração de Nd3+ na conversão ascendente de energia devido a um mecanismo do tipo avalanche de fótons em partículas cristalinas de NdxY1.00-xAl3(BO3)4 sob excitação não ressonante em 1064 nm |
Autor(es): | Silva, Rodrigo Ferreira da |
Primeiro Orientador: | Moura, André de Lima |
metadata.dc.contributor.referee1: | Sales, Tasso de Oliveira |
metadata.dc.contributor.referee2: | Gomes, Anderson Stevens Leônidas |
Resumo: | Íons terras-raras trivalentes têm demonstrado ser extremamente eficientes na absorção e emissão de diversos comprimentos de onda. Isto porque os elétrons opticamente ativos não são os mais externos, o que enfraquece o vínculo dos íons quando dopado em um material hospedeiro, devido a uma blindagem parcial do estado 4f. Neste texto foi mostrado a eficiência fluorescente do Nd3+ (neodímio) em partículas de NdxY1.00-xAl3(BO3)4 sob uma excitação (1064 nm) não-ressonante do tipo Anti-Stokes partindo do estado fundamental para o nível 4F3/2. Mesmo com uma excitação não-ressonante, foram observadas intensidades no espectro fotoluminescente bastante amplo, desde o visível ao infravermelho, o que é explicado pelo mecanismo de excitação do tipo avalanche de fótons (AF), que favoreceu de forma bastante eficiente a população do nível 4F3/2 juntamente com aniquilação de fônons para inicialmente popular o nível 4F3/2. Na interação entre um íon excitado (4F3/2) e outro no estado fundamental (4 I9/2), o íon excitado realiza uma relaxação cruzada (não-radiativa) interagindo com um íon no estado fundamental de tal forma que o primeiro relaxa do nível 4F3/2 para o 4I15/2 e o segundo é promovido excitado do 4 I9/2 para 4 I15/2. Devido à proximidade com os níveis inferiores, esses íons relaxam não radiativamente para os níveis 4 I13/2 e 4 I11/2. Uma vez no nível 4 I11/2, os íons podem absorver radiação do feixe de excitação que é ressonante com a transição 4 I11/2 4F3/2. Dessa forma, um íon inicialmente excitado no nível 4F3/2 por um mecanismo de probabilidade baixa a temperatura ambiente, leva dois íons para o estado 4F3/2 e depois da sequência de eventos: absorção do estado fundamental assistida por fônons; relaxação cruzada; relaxações não-radiativas e absorção de estado excitado ressonante. Os dois íons no nível 4F3/2 podem transferir energia para dois vizinhos no estado fundamental e levar quatro íons para o nível 4F3/2. A repetição desse conjunto de eventos leva a uma excitação que segue uma progressão geométrica de íons excitados, aumentando de formo abrupta a absorção dos fótons em 1064 nm. Com grandes números de íons no nível 4F3/2 podemos observar transições que caracterizam conversão ascendente e conversão descendente de energia cobrindo o espectro visível e infravermelho. Também foi investigado a influência das concentrações da quantidade de neodímio para diferentes amostras, e foi constatado uma forte dependência da relaxação cruzada para o mecanismos de avalanche de fótons, devido à proximidade dos íons, e com isso foi proposto uma mecanismos de looping de energia para concentrações de 5% a 20% de Nd3+, e para concentrações maiores que 20%, a avalanche de fótons é estabelecida. Os resultados dessa dissertação estão publicados nos periódicos: Applied Physics Letters com título “Photon-avalanche-like upconversion in NdAl3(BO3)4 nanoparticles excited at 1064nm” e Optical Materials com título “Energy-looping and photon-avalanche-like phenomena in NdxY1.00-xAl3(BO3)4 powders excited at 1064 nm”. |
Abstract: | Trivalent rare earth ions have proven to be extremely efficient in the absorption and emission of various wavelengths. This is because the optically active electrons are not the outermost ones, thus weakening the bond of ions when doped into a host material + (neodymium) in NdxY1.00-xAl3(BO3)4 particles under non-resonant (~1064 nm) Anti Stokes excitation from the ground state to the 4F3/2 level was demonstrated. Even with non-resonant excitation, broad intensities were observed in the photoluminescent spectrum, spanning from visible to infrared. This is explained by the avalanche photon excitation (AF) mechanism, which efficiently favored the population of the 4F3/2 level along with phonon annihilation to initially populate the 4F3/2 level. In the interaction between an excited ion (4F3/2) and another in the ground state (4I9/2), the excited ion undergoes cross-relaxation by interacting with a ground-state ion, causing the first to relax from the 4F3/2 level to 4 I15/2 and the second to be excited from 4 I9/2 to 4 I15/2, both in a non-radiative manner. Due to the proximity to lower levels, these ions non-radiatively relax to the 4 I13/2 and 4 I11/2 levels. Once at the 4 I11/2 level, ions can absorb radiation from the excitation beam resonant with the 4 I11/2 4F3/2 transition. Thus, an ion initially excited to the 4F3/2 level with low probability at room temperature, in a non-resonant manner, leads two ions to the 4F3/2 state. Following the sequence of events: ground state absorption assisted by phonons, cross-relaxation, non-radiative relaxations, and resonant excited state absorption, the two ions at the 4F3/2 level can transfer energy to two ground state neighbors and bring four ions to the 4F3/2 level. The repetition of this set of events leads to excitation that follows a geometric progression of excited ions, abruptly increasing photon absorption at ~1064 nm. With large numbers of ions at the 4F3/2 level, transitions characterizing upconversion (UC) throughout the visible and infrared photoluminescent spectrum can be observed. The influence of neodymium concentrations on different samples was also investigated, revealing a strong dependence on cross-relaxation for photon avalanche mechanisms, due to the proximity of ions. Thus, an energy-looping mechanism was proposed for concentrations from 5% to 20% Nd3+, and for concentrations greater than 20%, the photon avalanche is reestablished. The results of this dissertation are published in the journals Applied Physics Letters with the title “Photon-avalanche-like upconversion in NdAl3(BO3)4 nanoparticles” and Optical Materials with the title “Energy-looping and photon-avalanche-like phenomena in NdxY1.00-xAl3(BO3)4 powders excited at 1064 nm”. |
Palavras-chave: | Fótons - Absorção Conversão ascendente de energia Absorção da luz Íons terras-raras |
CNPq: | CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA |
Idioma: | por |
País: | Brasil |
Editor: | Universidade Federal de Alagoas |
Sigla da Instituição: | UFAL |
metadata.dc.publisher.program: | Programa de Pós-Graduação em Física |
Citação: | SILVA, Rodrigo Ferreira da. Efeitos da concentração de Nd3+ na conversão ascendente de energia devido a um mecanismo do tipo avalanche de fótons em partículas cristalinas de NdxY1.00-xAl3(BO3)4 sob excitação não ressonante em 1064 nm. 2024. 98 f. Dissertação (Mestrado em Física) – Programa de Pós-Graduação em Física, Instituto de Física, Universidade Federal de Alagoas , Maceió, 2024. |
Tipo de Acesso: | Acesso Aberto |
URI: | http://www.repositorio.ufal.br/jspui/handle/123456789/14694 |
Data do documento: | 11-mar-2024 |
Aparece nas coleções: | Dissertações e Teses defendidas na UFAL - IF |
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