Os complexos [TR2(L)3⋅x(H2O)]y(H2O) (Eu3+, Gd3+ e Tb3+) com os ligantes dicarboxilatos alifáticos OXA, MAL, SUC, GLU, ADP, PIM, SUB, AZL, SEB, UND e DOD foram preparados pelo método de precipitação. Estes compostos de coordenação foram sintetizados em solução aquosa e com aquecimento (~ 80 ºC) e apresentaram-se na forma de pós brancos, cristalinos, não higroscópicos e insolúveis em solventes polares e apolares. A análise elementar (CHN) indicou a proporção molar M:L de 2:3 e o número de moléculas de H2O dos complexos, que foi confi rmado pelos dados de análise térmica (TG/DTG). A temperatura final de saída das moléculas de H2O dos complexos apresentou um padrão em ziguezague em função do tamanho da cadeia carbônica dos ligantes, levando ao chamado efeito odd-even. As análises de espectroscopia de absorção no infravermelho (FTIR) confirmaram a efetiva coordenação dos ligantes já desprotonados aos íons TR3+ via modo misto de coordenação ponte-quelato, exceto no caso dos complexos [TR2(OXA) 3⋅6(H2O)]4(H2O)4(H2O) que ocorre via ponte bidentada. Os difratogramas de raios-X pelo método do pó (XPD) indicam que os complexos apresentam elevada cristalinidade, pertencendo ao sistema cristalino monoclínico e que os complexos com o mesmo ligante e diferentes íons TR3+ são isomórficos. As imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV) mostram que os compostos apresentam diferentes morfologias tais como bastão, placas ou um misto de placas e cubos, como no caso dos complexos de Eu3+ com os ligantes OXA, SUC e DOD respectivamente. A investigação por espectroscopia de absorção dos sais sódicos dos ligantes (Na2L) e a reflectância difusa, bem como o estudo fotoluminescente (espectros de excitação e emissão) dos complexos de Eu3+, Gd3+ e Tb3+ foi realizada e discutida. O comportamento fotoluminescente dos complexos baseados nos tempos de vida (t) do nível emissor 5D0 do íon Eu3+, rendimento quântico intrínseco (QLnLn), taxas de decaimento radiativo (Arad) e não-radiativo (Anrad) foram determinadas. Ademais, foi realizado o estudo sistemático teórico e experimental para calcular os parâmetros de intensidade Ω2 e Ω4. Os espectros de fosforescência resolvidos no tempo dos complexos de Gd3+ apresentaram bandas largas oriundas dos níveis tripleto (T1) dos ligantes ~ 22950 cm-1, mais próximos do nível emissor 5D4 (Tb3+) do que do nível 5D0 (Eu3+), sugerindo que a alta intensidade luminescente exibida pelos complexos de Tb3+ comparados com os complexos análogos de Eu3+ é devida à transferência de energia intramolecular mais eficiente. Os espectros de reflectância difusa confirmam a presença de bandas 4f8→4f75d1 e LMCT nos complexos de Tb3+ e Eu3+, respectivamente. Os espectros de emissão dos íons Tb3+ e Eu3+ apresentaram bandas finas referentes a transições intraconfiguracionais 4f, sendo que as transições 5D4→7F5 (~ 545 nm) e 5D0→7F2 (~ 611 nm) foram as mais intensas, respectivamente. Os valores de rendimento quântico intrínseco QLnLn dos complexos variaram entre 13 e 28%, dentro dos quais o composto [Eu2 (SUC) 3⋅2(H2O)]H2O apresentou o maior valor. Este comportamento espectroscópico mostra que as moléculas de H2O atuam como um eficiente canal de supressão de luminescência. Os valores dos parâmetros de intensidade experimentais e teóricos (Ω2 e Ω4) apresentaram excelente concordância e mostraram o comportamento em ziguezague. Isto sugere que o íon Eu3+ atua como uma poderosa sonda espectroscópica para o efeito odd-even. Os complexos de Gd3+, Eu3+ e Tb3+ apresentaram cores de emissão azul, vermelha e verde, respectivamente, sugerindo que podem ser utilizados como dispositivos moleculares conversores de luz (DMCLs). / The [RE2(L)3⋅x(H2O)]y(H2O) complexes (RE3+: Eu3+, Gd3+ and Tb3+) with the aliphatic dicarboxylates ligands OXA, MAL, SUC, GLU, ADP, PIM, SUB, AZL, SEB, UND e DOD have been prepared by the precipitation method. These coordination compounds were synthesized in aqueous solution and heating (~ 80 °C) and presented as white crystalline powder, non-hygroscopic and insoluble in both polar and nonpolar solvents. The elemental analysis (CHN) indicated the M:L molar ratio of 2:3 and the number of water molecules of the complexes, which were confirmed by thermal analysis (TG/DTG) data. The final evaporating temperature of the H2O molecules of the complexes presented a zigzag pattern as a function of the carbon chain size of the ligands, leading to the so-called odd-even effect. The infrared absorption spectroscopy (FTIR) confirmed the effective coordination of the already deprotonated ligands to the RE3+ ions via the mixed mode of bridge-chelate coordination, except for the [RE2 (OXA)3⋅6(H2O)]4(H2O) complexes that occur via bidentate bridge mode. The X-ray powder diffraction (XPD) patterns indicate that the complexes present high crystallinity and the compounds with the same ligand and different RE3+ ions present isomorphic character. Scanning electron microscopy (SEM) images showed that the Eu3+ complexes with OXA, SUC and DOD ligands exhibited different morphologies such as rods, sheets or a mixture of sheets and cubes, respectively. The absorption spectroscopy investigation of the ligand sodium salts (Na2L) and the diffuse reflectance as well as the luminescence study (excitation and emission spectra) for the Eu3+, Gd3+ and Tb3+ complexes have been performed and discussed. The photoluminescent behavior of the complexes based on the lifetime (t) of the 5D0 emitting level of the Eu3+ ion, intrinsic quantum yield (QLnLn), radiative (Arad) and nonradiative (Anrad) were determined. In addition, the theoretical and experimental systematic study was carried out to calculate the intensity parameters Ω2 and Ω4. The time resolved phosphorescence spectra of the Gd3+ complexes showed broad emission bands assigned to the triplet (T1) states of the ligands at ~ 22950 cm-1, closer to the 5D4 emitting level (Tb3+) than to the 5D0 level (Eu3+), suggesting that the higher luminescent intensity exhibited by the Tb3+ complexes compared to the Eu3+ analog complexes are due to a more efficient L—RE3+ intramolecular energy transfer. The diffuse reflectance data confirmed the presence of 4f8→4f75d1 and LMCT absorption bands in the Tb3+ and Eu3+ complexes, respectively. The emission spectra of the Tb3+ and Eu3+ ions showed narrow bands due to the intraconfigurational 4f transitions, among them the 5D4→7F5 (~ 545 nm) and 5D0→7F2 (~ 611 nm) transitions were the most intense, respectively. The values of intrinsic quantum yield QLnLn of the complexes ranged from 13 to 28%, in which the [Eu2 (SUC)3⋅2(H2O)]H2O complex presented the highest value due to its lower number of H2O molecules. This optical behavior shows that the H2O molecules act as an efficient luminescence quenching channel. The values of experimental and theoretical intensity parameters (Ω2 and Ω4) presented excellent agreement which showed the zigzag behavior. These indicate that the Eu3+ ion acts as a powerful spectroscopic probe for the odd-even effect. The Gd3+, Eu3+ and Tb3+ complexes showed blue, red and green emission colors, respectively, suggesting that can be applied as light-converting molecular devices.

Orientador: Pascoal José Giglio Pagliuso / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-09-02T11:57:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Souza_JeanCarlo_M.pdf: 4438731 bytes, checksum: aaba7a375b2b45b638619e944111c41b (MD5) Previous issue date: 2017 / Resumo: A ideia de topologia na Física da Matéria da Condensada, apesar de ter surgido com o efeito Hall quântico inteiro, só voltou a ser explorada recentemente na busca de novas fases da matéria depois do surgimento dos Isolantes Topológicos (ITs) 2D. Após a previsão teórica, e a descoberta experimental, foi proposto que esta nova fase poderia ser generalizada para sistemas 3D, em que o volume do material seria isolante com estados metálicos de superfície que possuiriam canais de spin polarizados. Apesar de diversos experimentos e o surgimento de outras fases topológicas da matéria subsequentes, ainda há dúvidas sobre a natureza dos ITs 3D. Os efeitos topológicos mais claros ainda não foram observados de forma inequívoca e reprodutível experimentalmente e ainda seria de extrema valia encontrar técnicas experimentais que possam complementar os mais discutidos experimentos de ARPES. Nesta dissertação foram estudadas duas famílias distintas de materiais propostas como possíveis ITs 3D: os binários Bi2Se3 e Sb2Te3 e o half-Heusler YPdBi. Utilizando a técnica de auto-fluxo e a fusão estequiométrica, os sistemas foram sintetizados dopados com os terras-rara Gd3+, Nd3+ e Er3+ para realizar estudos de ressonância de spin eletrônico (RSE) e do papel dos efeitos de campo cristalino (CEF) - no caso do half-Heusler. Para o ternário YPdBi foram feitos dois estudos. Na família dos half-Heuslers, a ordem topológica surge da relação entre o acoplamento spin-órbita e a hibridização, que está ligada com a mudança do parâmetro de rede, então os efeitos de CEF poderiam estar refletindo a transição entre a trivialidade e a não-trivialidade. A partir das medidas de susceptibilidade magnética em função da temperatura das amostras dopadas com Nd3+ e Er3+ combinadas com os estudos de RSE, foi possível extrair os parâmetros de campo cristalino (CFP) de quarta e sexta ordem. Comparando esses dados com resultados anteriores para o material, supostamente, não-trivial YPtBi, observou-se uma mudança sistemática no sinal dos CFP. Resultados prévios para as amostras de YPtBi dopadas com Nd3+ mostram uma evolução não usual para uma forma de linha difusiva com a potência de micro-onda. Neste trabalho também foi realizado um estudo da forma de linha em função da potência. Apenas a ressonância do Nd3+ para os monocristais de 10% de Nd em YPdBi mostrou uma forma de linha difusiva que evolui com a potência da micro-onda. No caso dos binários Bi2Se3 e Sb2Te3, o objetivo era otimizar a rampa de tratamento térmico para obter monocristais melhores que poderiam permitir a observação de um espectro totalmente resolvido do Gd3+. Após mudanças no crescimento dos monocristais, o espectro totalmente resolvido foi obtido para as amostras de Bi2Se3. No caso do Sb2Te3 apenas uma linha central com a estrutura fina colapsada foi observada. Acompanhando o deslocamento g e a evolução da largura de linha dH da RSE do Gd3+ com a temperatura, o comportamento negativo do deslocamento g para toda a faixa de temperatura indica que elétrons do tipo p são os grandes responsáveis pela formação da superfície de Fermi residual destes sistemas. Um aumento no coeficiente angular de dH em função da temperatura, a taxa Korringa b, foi observado em baixas temperaturas, logo diferentes concentrações de Gd3+ foram utilizadas para estudar este comportamento. Novamente observou-se um comportamento anômalo em baixas temperaturas, o que poderia estar relacionado com a evolução dos CFP com a temperatura. Todos esses resultados foram discutidos levando-se em conta a possibilidade de existência de topologia não-trivial na estrutura eletrônica desses materiais, com foco particular na relação da interação spin-órbita e os efeitos de campo cristalino com a manifestação da topologia não trivial nesses sistemas / Abstract: The idea of topological systems in Condensed Matter Physics, although already explored in the Quantum Hall Effect, has recently become a topic of intense scientific investigation. In particular, great efforts have been dedicated to the search for new quantum phases since the proposal of the Topological Insulators (TIs) in 2D. After the theoretical prediction and the experimental discovery of the TIs in the 2D case, the existence of the Quantum Hall Spin Effect in 3D, 3D TIs, was proposed, where an insulator bulk and metallic surface states with spin polarized channels could be experimentally realized. Although many experiments have been performed, and some groups claimed the direct observation of such new topological phases, there is still a lot of controversy about the nature of the 3D TIs and about the actual microscopic origin of the metallic states on the surface of the studied materials. Other signatures of the topological phases have not been unambiguously and repeatedly measured yet and there is an obvious lack of a supplementary lab technique to be compared to the most used technique to probe these states, which is ARPES. In this work we have studied two different classes of 3D TIs: the binaries Bi2Se3 and Sb2Te3 and the half-Heusler YPdBi. We have been able to grow single crystals of these materials pure and rare-earth doped with Gd3+, Nd3+ and Er3+ using the self-flux technique and the stoichiometric melting. The aim was to use these crystals to study Electron Spin Resonance (ESR) as a potential probe to investigate the existence of the metallic surface states and to explore the possible of the crystalline electrical field (CEF) effects on the formation of the non-trivial electronic structure of these materials. Regarding the YPdBi, our ESR and magnetization studies have revealed that, in the half-Heusler family, the topological order emerges from the interplay between spin-orbit coupling and the hybridization, which is connected with the changes on the lattice parameter. Thus, the CEF effects could reflect the transition from trivial to nontrivial topology. From the magnetic susceptibility data as a function of temperature from the Nd3+ and Er3+ doped samples combined with the ESR studies, it was possible to extract the fourth and sixth order crystal field parameters (CFP). Comparing our data with the previous results from YPtBi, which is a putative non-trivial material, a systematic change in the sign of the CFP was observed. Previous results with the YPtBi Nd-doped samples show an unusual evolution of the Nd3+ ESR line to a diusive-like line shape as a function of the microwave power. In this work we have performed a similar study of the Nd3+ ESR line shape as a function of the microwave power. Only for the single crystal of 10% Nd in YPdBi resonance shows a diffusive-like line shape that evolves with the microwave power. In the case of the binaries Bi2Se3 e Sb2Te3, the aim of this work was to optimize the heat treatment used in previous works of our group to obtain better single crystals that could allow the observation of the full resolved spectra from Gd3+. After many changes in the single crystal growth method, we were able to observe fully resolved Gd3+ ESR spectra in the Bi2Se3 samples. Regarding the Sb2Te3 single crystals, only a single Gd3+ Dysonian ESR line was observed. Following the Gd3+ ESR dg and dH as a function of temperature, the observed negative behavior of dg, in the whole temperature range studied, indicates that p-type electrons are the main source for the formation of the small the Fermi surface of these materials. An increase of the angular coefficient of dH as a function of temperature, the Korringa rate b, at low temperatures was observed and different concentrations of Gd3+ were required to investigate this anomaly. Again this anomalous behavior at low temperatures was observed for the all Gd-doped samples, which could be related to an evolution of CFP with temperature. We discuss our results taking into account the existence of non-trivial topological states in our samples and the role of spin-orbit and CEF effects might have in the formation of such states / Mestrado / Física / Mestre em Física / 132653/2015-0 / CNPQ / CAPES / FAPESP

Este trabalho consiste na investigação termoanalítica dos p-toluenossulfonatos de terras raras hidratados, abordando aspectos relativos à etapa de desidratação, decomposição térmica dos sais anidros e metodologia alternativa para obtenção de oxissulfetos. As reações entre o ácido p-toluenossulfônico e hidroxicarbonato de terras raras (III), em meio aquoso, conduziram a compostos de fórmula geral mínima TR(C7H7SO3)3.xH2O, sendo TR3+ = La ao Lu e Y com x variando de 2 a 7. Esta estequiometria foi estabelecida a partir dos resultados de análise elementar e termogravimetria. Os compostos foram caracterizados e, posteriormente, investigados termoanaliticamente. O estudo do comportamento térmico dos compostos foi realizado empregando a TG/DTG em atmosfera dinâmica de ar, N2, CO2, ar + CO2 e H2 + Ar a uma razão de aquecimento de 10°C min-1. A etapa de desidratação mostrou-se independente da atmosfera empregada. O processo de decomposição térmica do sal anidro em ar, CO2, ar + CO2 conduziu a formação de oxissulfatos com diferentes estequiometrias. Os resultados indicaram que a estabilidade térmica dos p-toluenossulfonatos anidros e dos oxissulfatos diminui com o raio do íon TR3+. O mesmo não ficou evidenciado quando se utilizou atmosfera de N2, uma vez que nenhum patamar indicativo de produtos intermediários e/ou finais termoestáveis foi formado. Os dados TG em atmosfera de H2 + Ar indicaram a formação de dioxissulfeto (TR2O2S). Isto foi confirmado pelo reaquecimento do produto em atmosfera de ar, que evidenciou ganho de massa característico da oxidação a oxissulfato. Os eventos térmicos foram evidenciados nas curvas DSC, por picos no sentido endotérmicos ou exotérmicos, e estão em concordância com as variações de massa indicadas nas curvas TG/DTG. Para alguns compostos foram determinados os parâmetros cinéticos, para etapa de desidratação, utilizando método dinâmico por TG/DTG e DSC. As curvas TG mostraram alguns eventos sobrepostos, evidenciando um processo de decomposição térmica aparentemente complexo, característico da saída de vários produtos voláteis simultaneamente. Neste caso, os experimentos utilizando o sistema simultâneo e acoplado TG/DTA-GC/MS possibilitou a detecção e análise destes voláteis. / This work consists in the thermoanalytical investigation of hydrated rare earth p-toluenesulfonates, considering the relative aspects of the dehydration step, thermal decomposition of the anhydrous salts and altemative methods for preparation of the oxysulfides. The compounds were prepared in aqueous solution, by reaction of p-toluenesulfonic acid and basic carbonates. The products of the reactions presented general formula TR(C7H7SO3)3.xH2O, TR3+ = La - Lu and Y, and x = 2 - 7. This stoichiometry was established through elemental analysis and TG data. The p-toluenesulfonates were characterized and investigated thermoanalytically. The study of the thermal behaviour of these compounds was accomplished using TG/DTG in air, N2, CO2, air + CO2 and H2 + Ar dynamic atmospheres with heating rate of 10 °C min-1. The dehydration step is independent of the atmosphere employed. The thermal decomposition processes of the anhydrous salts in air, CO2, air + CO2 lead to fonnation of oxysulfates with different stoichiometries. The results indicated that thermal stability of anhydrous salts and oxysulfates decreases with ionic TR3+ radii. The same was not evidenced in the N2 atmosphere plateaus indicative of thermally stables intermediate compounds were not observed. TG data in H2 + Ar atmosphere indicated the formation of dioxysulfide (TR2O2S). This product was heated in air atmosphere, showing gain of mass characteristic of oxidation to oxysulfate. The thermal events were evidenced in DSC curves by endothermic and exothermic peaks, and they are in agreement with the weight changes indicated in TG/DTG curves. For some compounds kinectic parameters were determined for the dehydration step, using TG/DTG and DSC dynamic methods. TG curves showed some overlaped events, evidencing complexes thermal decomposition processes with simultaneously evoluation of several volatile products. In these case, TG/DTG-GC/MS experiments were made for the detection of these volatile ones.

Neste trabalho a síntese e caracterizaçcão de adutos entre tiocianatos de terras raras trivalentes (La, Ce Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm Yb, Lu e Y) e tripiperidinofosfinóxidos (tpppO) são reportados. Os adutos foram preparados pela reação entre tiocianatos de lantanídeos e tpppO em soluções etanólicas. Os complexos foram caracterizados por análises elementares, análises termogravimétricas, medidas de condutância em soluções milimolares, espectroscopias de absorção na região do infravermelho, espectroscopia de absorção na região do visível do complexos de neodímio, espectroscopia de emissão na região do visível do composto de európio, térbio e disprósio, difratograma de raios -X pelo método do pó e difratogramas de raios -X pelo método do mono cristal do composto de praseodímio. As análises elementares sugeriram fortemente a fórmula [Ln(SCN)3(tpppO)3] como representativa de toda a série de complexos. As medidas de condutividade de soluções milimolares em acetonitrila resultaram em valores entre 22 e 75 S cm2 mol-1. Esses valores sugeriram a natureza não eletrolítica dos adutos. Os difratogramas pelo método do pó sugeriram a existência de três séries isomorfas, formadas pelos seguintes elementos: 1) La; 2) Ce, Nd, Pr; 3) Sm, Gd, Eu, Ho, Er, To, Lu, Y. Todos os espectros de absorção na região do infravermelho dos adutos são semelhantes e exibem ν(CN)na região de 2050 cm-1.Isso é indicativo da coordenação do ânion a através do átomo de nitrogênio. Os complexos são portanto da classe dos isotiocianatos. Adicionalmente esses pico estão desdobrados em dois picos ( exceto para o Eu e Tb), evidenciando que esses ãnions não são todos equivalentes. Nos espectros de infravermelho observou-se ainda o pico δ(NCS) at ca. 470-480 nm e isso indica também a coordenação através do átomo de nitrogênio. O pico atribuído ao estiramento da ligação PO, ν (PO), está deslocado para regiões menos energética do espectro quando comparado ao espectro do ligante não coordenado. Isso indica a coordenação do tpppO pelo átomo de oxigênio. Nota-se também que os picos ν (PN) apresentando um desvio consistente para regiões mais energéticas para toda a série de complexos sintetizados. O espectro de absorção na região do visível do complexo de neodímio foi registrado e apresentou a banda atribuída á transição 4G5/2, 2G7/2 ← 4I9/2. A banda atribuída à transição 2P1/2 ← 4I9/2 não pode ser observada. A primeira transição foi observada a 17124 cm-1 Desse valor foram calculados: o parâmetro nefelauxético, β = 0,989; o fator de covalência, b 1/2 = 0,072; e o fator de covalência de Sinha δ = 1,06. Esses valores mostram a natureza eletrostática das ligações entre o íon da terra rara e os ligantes. O espectro de emissão do composto de európio, a 77 K, apresenta uma pico atribuído à transição 5D0 →7D0 (578 nm), três picos à 5D0 → 7D1 (593 , 595, 597nm), e cinco à 5D0 → 7D2 (611, 614, 617, 618, 620 nm). Sabendo que a presença do pico 5D0 → 7D0 e os desdobramentos dos picos 5D0 → 7D1 e 5D0 → 7D2 a simetria C3v é a mais provável para o poliedro de coordenação. As análises térmicas foram conduzidas para os complexos de Ce, Nd, Gd. A curva de Tg-DTG mostra perdas de massa começando em 284 -320 ºC e terminando em 1000 ºC. Em 1200 ºC, outra perda de massa ocorre. As curvas, no entanto, mostram algumas diferenças entre si. Enquanto o complexo de cério apresenta cinco eventos não resolvidos entre 300 e 400 ºC, o complexo de Nd apresenta dois eventos não resolvidos e o complexo de Gd apresenta apenas um pico largo na mesma faixa de temperatura. As massas dos resíduos finais de aquecimento (temperaturas maiores que 1300 ºC) são compatíveis com as de fosofatos dos respectivos lantanídeos e o espectro de absorção na região do infravermelho desses resíduos confirmam esses resultados. A análise de difração de raios -X do composto de preseodímio mostrou como sitema critalino o monoclínico, o grupo espacial é o Cc, com quatro moléculas por célula unitária. O Poliedro de coordenação é um prisma trigonal levmente distrocido com simetria de C3V. O número de coordenação é seis com os ânions tiocianatos coordenados pelo nitrogênio, enquanto os os tpppO estão coodenados pelos átomo de hidrogênios. / In this work the synthesis and characterization of trivalent rare earth (La, Ce Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm Yb, Lu and Y) adducts between isothiocyanate with tripiperidinophosphinoxide (tpppO) are reported. The rare earth adducts were prepared by the reaction between lanthanides thiocyanates and tpppO in ethanolic solution. The complexes were characterized by elemental analysis, thermo gravimetric analysis, conductance measurements in millimolar acetonitrila solutions, IR absorption spectroscopy, uv-vis absorption spectrum of the neodymium compound, emission spectrum of europium, dysprosium and terbium compounds, X- ray powder patterns and X-ray diffraction through the monocrystal method of the praseodymium compound. Elemental analyses data strongly suggest the general formula [Ln(SCN)3(tpppO)3] for the complete series. Electrolytic conductivity measurements in milllimolar acetonitrile solutions yielded values in range 75 to 22 S cm2 mole-1. These values suggest the nonelectrolyte natures of the adducts. X-Ray powder diffraction pattern suggest the existence of three isomorphous series: 1) La; 2) Ce, Nd Pr; 3) Sm, Gd, Eu, Ho, Er, Tb, Lu and Y. All absortption spectra in IR region are similar and exhibit ν(CN) in the region of 2050 cm-1. This is indicative that the anion is coordinated through the nitrogen atom, or, in other words, the anion is in the isothiocyanate form. ln addition, these bands are split into two components in all complexes ( except for Eu and Tb ), evidencing that these anions are not all equivalent. In the IR spectra it is also possible to observe δ(NCS) at ca. 470-480 cm-1 and this also point out coordination through the nitrogen atom. In the IR spectra also ν (PO) is shifted to lower energies by ca. 10 cm1 with respect to free tpppO. This indicat coordination through the phosphoryl oxygen. It is also nortworthy that ν (PN) presents a consistent positive shift throghout the whole series of complexes. Absorption spectra of a neodymium compound were recorded. The hypersensitive band 4G5/2, 2G7/2 ← 4I9/2 appears, while the 2P1/2← 4I9/2 could not be observed experimentally. The first transition was observed to be centered at 17124 cm-1. From this value, the nephelauxetic parameter, β = 0,989, covalente factor, bl/2 = 0,072 and Sinha covalence parameter δ = 1,06 were calculated. These value point out the essentially electrostactic nature of metal-ligand bonds. The emission spectra of europium compound at 77 K presents one 5D0 → 7D0 peak (578 nm), three 5D0 → 7D1 peaks (593,595, 597nm) and five for 5D0 → 7D2 band (611,614, 617, 618, 620 nm). Taking into account the presence of 5D0 → 7D0 and the splits of 5D0 → 7D2 and 5D0 → 7D1 peaks the C3v symmetry can be proposed for this coordination polyhedron. Thermal analyses were carried out for Ce, Nd and Gd complexes. Tg-DTG curves show mass lasses starting at 284-320 ºC up to 1000 ºC. At 1200 ºC another mass loss occurs. The curves , however, are quite different whereas the Ce complex shows five non-resolved events between 300 and 400ºC, the Nd adducts shows two non-resolved events and the Gd only a broad peak. The mass of the final residues (above 1300ºC) are consistent with the corresponding lanthanide phosphate. Infrared spectra of these residues were recorded, confirming this assumption. Single- crystal X-ray diffraction analysis of the Pr complex was carried out. The crystal system is the monoclinic, space group Cc, with four molecules per unit cell. The coordination polyhedron is a slightly distorted trigonal antiprism with C3v symmetry. The coordination number is 6. All anion are in the thyocianate form and coordinated through their nitrogen atoms in one base of antiprism whereas the ligand (tpppO) are bonded to the other base through their oxygen atoms.

Materiais com luminescência persistente são normalmente baseados em aluminatos e silicatos dopados com íons Eu2+, portanto buscam-se novos materiais com diferentes dopantes. Consequentemente, os materiais BaAl2O4:Eu2+,TR3+ (R: La-Lu) foram preparados pelo método de combustão com temperaturas de ignição entre 400 e 600 °C, assim como pelo método cerâmico a 1500 °C. Os sistemas mais versáteis CdSiO3:TR3+ foram preparados apenas pelo método cerâmico a 950 °C. Para estudar a estrutura e a pureza de fase dos materiais utilizou-se espectroscopia de absorção no infravermelho, difração de raios X (método do pó) e microscopia eletrônica de varredura. Os estados de oxidação e o ambiente ao redor dos íons terras raras foram investigados com a espectroscopia de absorção de raios X com radiação Síncrotron (XANES e EXAFS). As propriedades da luminescência persistente dos fósforos foram investigadas com as técnicas de termoluminescência (TL), fotoluminescência e espectroscopia com radiação Síncrotron na região do UV-UV vácuo. Baseado nas medidas de TL, a estrutura dos defeitos dos materiais BaAl2O4:Eu2+,TR3+ (TR: Nd e Dy) e CdSiO3:TR3+ (TR: Pr, Gd e Tb) mostrou-se ideal para a luminescência persistente a temperatura ambiente. Os espectros de XANES indicaram a presença dos estados divalente e trivalente do Eu dopado na matriz BaAl2O4, enquanto que apenas íons TR3+ co-dopantes foram observados (exceto CeIV). O íon Eu3+ pode estar presente devido ao processo de migração do elétron do íon Eu2+ para a banda de condução durante o processo de excitação. Em contraste, para o sistema CdSiO3:TR3+, foram observadas apenas as espécies trivalentes TR3+, excluindo, portanto, a oxidação direta TR3+→TRIV. Apenas a transição interconfiguracional 4f65d1→4f7 do íon Eu2+ foi observada na luminescência persistente dos materiais BaAl2O4:Eu2+,TR3+. Por outro lado, para a matriz CdSiO3 dopada com íons Pr3+ e Tb3+, apenas as transições 4fn-4fn foram observadas, sem a presença da banda de emissão defeitos observada tanto no espectro de emissão sob excitação no UV como no espectro de luminescência persistente do CdSiO3:Gd3+. O band gap das matrizes BaAl2O4 (6,5 eV) e CdSiO3 (5,28 eV) foi obtido com a espectroscopia de excitação no UV-UV vácuo. A posição dos níveis de energia dos íons TR2+/3+ determinada com o auxílio da banda de transferência de carga ligante metal (LMCT) O2-(2p)Eu3+ confirmou o papel dos elétrons como carregadores de carga no mecanismo da luminescência persistente dos íons Eu2+, Pr3+ e Tb3+. Por fim, os mecanismos da luminescência persistente foram desenvolvidos, e, apesar de serem diferentes, os mecanismos para os íons Eu2+, Tb3+ e Pr3+ apresentaram princípios similares. Esta semelhança confirma a solidez da interpretação dos dados experimentais dos materiais com luminescência persistentes dopados com Eu2+ e encoraja a expansão de modelos similares para outros materiais com luminescência persistente no futuro. Cálculos teóricos com, por exemplo, método DFT poderão no futuro ser utilizados para refinar o modelo, diminuir o trabalho experimental e para descobrir novos modelos para sistemas que o atual modelo não pode ser aplicado, como no caso dos materiais dopados com Eu3+. / Persistent luminescent materials are usually based on Eu2+ doped aluminates or silicates, though novel materials with different dopants are seeked for. Accordingly, BaAl2O4:Eu2+,R3+ (R: La-Lu) materials were prepared by the combustion method with ignition temperatures between 400 and 600 °C as well as with the solid state reaction at 1500 °C. The more versatile CdSiO3:R3+ systems were prepared only with the solid state reaction at 950 °C. Infrared absorption spectroscopy, X-ray powder diffraction and Scanning Electron Microscopy techniques were used to study the structure and phase purity of the materials. The oxidation states of the rare earths and their environment were investigated with synchrotron radiation X-ray absorption spectroscopy (XANES and EXAFS). The persistent luminescence properties of the phosphors were investigated with thermoluminescence (TL), photoluminescence and synchrotron radiation UV-VUV spectroscopy. Based on the TL measurements, the trap structure for BaAl2O4:Eu2+,R3+ (R: Nd and Dy) and CdSiO3:R3+ (R: Pr, Gd and Tb) is ideal for room temperature persistent luminescence. The XANES spectra indicated the presence of both divalent and trivalent europium doped in the BaAl2O4 host, while only trivalent rare earth co-dopants were observed (except CeIV). Eu3+ may be present because of in situ charging of persistent luminescence. In contrast for the CdSiO3:R3+ system, only the trivalent R3+ species were observed, thus excluding the direct R3+→RIV (R: Pr and Tb) oxidation. Only the typical interconfigurational 4f65d1→4f7 transition of Eu2+ ion was observed in the persistent luminescence of BaAl2O4:Eu2+,R3+ materials. On the other hand, for the Pr3+ and Tb3+ doped CdSiO3, only 4fn-4fn transitions were observed with no traces of the defect band emission observed in either the conventional UV excited or persistent luminescence spectra of CdSiO3:Gd3+. The band gap energy for the hosts BaAl2O4 (6.5 eV) and CdSiO3 (5.28 eV) were obtained with the UV-VUV excitation spectroscopy. The R2+/3+ energy levels positions determined with the aid of the O2-(2p)→Eu3+ ligand to metal charge transfer transition (LMCT) confirmed the role of electrons as the charge carriers in the mechanism of Eu2+, Pr3+ and Tb3+ persistent luminescence. Finally, the persistent luminescence mechanisms were constructed and, despite the differences, the mechanisms for Eu2+, Tb3+ and Pr3+ proved to be rather similar. This similarity confirms the solidity of the interpretation of experimental data for the Eu2+ doped persistent luminescence materials and encourages the expansion of similar models for other persistent luminescence materials in the future. Theoretical calculations by e.g. DFT method can be used to refine the model, to decrease experimental work and to find different models for systems where the present model evidently fails, e.g. Eu3+ doped materials.

Lead-free solders such as SnAg and SnAgCu are used extensively as replacements of SnPb solders in microelectronics packaging. But these alloys have several drawbacks, such as poor wetting ability and formation of intermetallic compounds (IMC). Doping of rare earth element (RE) on SnAg alloys has been found to improve the wetting property, reduce IMCs and their growth, and refine the microstructure which results in improved mechanical properties of the solder. This study focuses on establishing the quantitative effects of RE doping on the microstructure and mechanical behavior of 96.5Sn3.5Ag alloy. SnAg alloys with different amounts of Lanthanum were made. Specimens were cast under typical reflow conditions, and then aged at different temperatures for three different aging times. Quantitative microscopy was conducted on samples with different amounts of La doping. It was found that doping greatly reduces the grain size, as well as the size of the intermetallic particles Ag3Sn. However, the inter-particle spacing remains relatively unaffected by the La doping amount. Creep tests at various temperatures and strain rates were conducted. The results show that La doping increases creep resistance of the SnAg alloy by ~15%. The creep test result can be fit into a modified microstructure dependent Anand model. A new constitutive law was also proposed to account for the hierarchal microstructure over multiple length scales. Specifically, at the sub micrometer scale, the SnAg eutectic region is treated as a particulate-reinforced composite with the Ag3Sn being the particle and Sn being the matrix. At the micrometer length scale, the solder alloys is treated as a two-phase composite with the Sn dendrite as the particle and the SnAg eutectic region as the matrix. Good agreement was found between the model predictions and the creep test results. Fatigue test was performed on bulk samples. It was found that RE doping increases the fatigue life of SnAg alloy by a factor of 5.

19 Dec 2004. / Published through the Information Bridge: DOE Scientific and Technical Information. "IS-T 1993" Ning Yang. 12/19/2004. Report is also available in paper and microfiche from NTIS.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:46:35Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T13:58:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 08329.pdf: 6162183 bytes, checksum: 3160f070ec997b983dcab9969e9c257e (MD5) / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Les composés intermétalliques à base de cérium présentent à basse température des propriétés magnétiques, électroniques et thermodynamiques tout à fait fascinantes. Deux interactions majeures entre la bande de conduction et les électrons localisés de la couche 4f entrent en compétition et régissent la physique de ces composés: l'effet Kondo tend à écranter les moments magnétiques 4f alors que les interactions RKKY favorisent plutôt des moments localisés et ordonnés. Un diagramme de phase complexe naît de cette compétition et le comprendre exige une caractérisation complète des niveaux 4f. La dégénérescence des multiplets liés au couplage spin-orbit est levée par les effets de champ cristallin, et les écarts entre les niveaux d'énergie qui en résultent ainsi que les symétries des états fondamentaux et excités doivent être déterminés expérimentalement. Les effets de champ cristallin dans les lanthanides peuvent être sondés par diverses techniques expérimentales dont la susceptibilité magnétique, la diffusion inélastique de neutrons, la spectroscopie par absorption de rayons X ou de photoémission. Cependant, chacune de ces techniques présente des limitations propres qui empêchent une caractérisation précise de ces effets. Nous présentons dans cette thèse les capacités de la technique de diffusion résonante inélastique des rayons X mous (soft-RIXS) à sonder les effets de champ cristallin dans les composés à base de cérium. Les dernières avancées en instrumentation ont permis de repousser les limites de la résolution en énergie jusqu'à 30 meV au seuil M5 du Cérium, suffisant pour séparer les transitions électroniques des plus bas des niveaux 4f. Le composé CeRh2Si2 a été étudié à titre d'exemple. Les énergies des excitations de couplage spin-orbit et de champ cristallin observées expérimentalement fournissent une mesure directe des écarts des niveaux 4f, tandis que la comparaison entre les spectres expérimentaux et des calculs basés sur le multiplet complet dans l'approximation à un ion permet d'identifier sans ambiguïté la symétrie des états de plus basse énergie du champ cristallin. L'orientation des fonctions d'ondes dans les plans ab du cristal peut aussi être déterminée de manière très simple en mesurant la polarisation des photons diffusés de manière inélastique. L'interaction avec les états itinérants peut introduire une variation de l'énergie des niveaux 4f en fonction du vecteur de diffusion q, qui se traduit par des signatures observables dans les spectres de diffusion inélastique résonante de rayons X. Un modèle simple est proposé pour expliquer la variation observée en fonction de q, mais des calculs théoriques plus poussés apparaissent nécessaires pour rendre compte de manière plus exacte de ces variations. L'étude des composés CeCu2Si2 et CeCo2Ge2 montre que la diffusion inélastique des rayons X peut sonder des effets de champ cristallin bien plus faibles ou bien plus importants que ceux observés dans CeRh2Si2. Dans le futur, une meilleure résolution en énergie et des modélisations plus poussées devraient encore améliorer la précision des études des effets de champ cristallin dans les composés de Cérium et autres lanthanides par diffusion inélastique de rayons X. / Cerium intermetallic compounds exhibit fascinating magnetic, electronic and thermodynamic properties at low temperatures. Their physics is governed by two competing interactions between the conduction band and localised 4f electrons: the Kondo effect tends to screen the 4f magnetic moments while RKKY exchange favours ordered local moments. From this competition, a complex phase diagram arises and its understanding requires a full characterisation the 4f levels. The crystal electric field (CEF) effects lift the degeneracy of the spin-orbit multiplets and the resulting energy splittings (tens of meV) as well as the symmetry of the ground and excited states must be determined experimentally. CEF effects in the lanthanides can be studied with a number of experimental probes including magnetic susceptibility, inelastic neutron scattering, X-ray absorption spectroscopy or photoemission spectroscopy. However, each of these techniques has limitations which can prevent an accurate characterisation. This thesis discusses the potential of Resonant Inelastic soft X-ray Scattering (soft-RIXS) to become a new probe of the CEF in cerium compounds. The latest advances in instrumentation have pushed the energy resolution in soft RIXS down to 30 meV at the Ce M5 edge, good enough to resolve the electronic transitions between the lowest lying 4f levels. This is demonstrated using the example of CeRh2Si2 spectra. The observed energies of the spin-orbit and CEF excitations provide a direct measurement of the 4f splittings and the comparison of the experimental spectra with full-multiplet single-ion calculations unambiguously identifies the symmetry of the lowest CEF levels. The orientation of the wave-functions in the crystal ab plane can also be determined in a straightforward manner by measuring the polarisation of the inelastically scattered photons. The interaction with itinerant states can lead to a momentum dependence of the 4f levels' energy and this leaves signatures in the excitation spectra that can be observed in RIXS. A simple model is proposed to explain the observed q dependence but further theoretical work is needed to properly account for the momentum dependence of the 4f excitations. Using the examples of CeCu2Si2 and CeCo2Ge2 it is demonstrated that RIXS can probe CEF splittings that are significantly smaller or much larger than those in CeRh2Si2. With better energy resolution and more advanced modelling RIXS studies of the CEF in cerium and other lanthanide ions will become even more accurate in the future.

Les granites à métaux rares ont une faible valeur économique mais sont souvent exploités pour leurs minéraux industriels. L’objectif de ce travail est d’évaluer la potentialité de certains résidus issus de la production de kaolin de St Austell (Angleterre) pour la récupération de métaux critiques (CRMs) comme les Terre Rares légères (LREE), le niobium (Nb), le tungstène (W) et l’étain (Sn) via le développement d’un procédé de récupération des CRMs. L’étude des résidus miniers montre que les CRM sont concentrés dans le résidu micacé avec des teneurs en LREE allant jusqu’à 170 ppm avec 40 à 60% des CRMs distribués dans ce résidu. Un procédé de traitement de ce résidu a été développé incluant des étapes de concentration par gravité et flottation. Les teneurs en LREE permettent la récupération d’environ 60% des LREE avec des teneurs de 1,6 % et 0,5% LREE respectivement dans le concentré de gravité et flottation / Rare metals granites have always been considered of poor economic value due to their low metal grades but, when altered, they are often exploited for their industrial minerals. This work address the recovery of critical metals (CRMs) including Light Rare Earth Elements (LREE) and rare metals (Sn, Nb, W) from St Austell (UK) kaolin residues though the development of a beneficiation process. Results shows that CRMs are pre-concentrated in the micaceous residue stream with LREE grades of 170 ppm, which account from 40% to 60% of the mass of CRM entering the plant. Analysis of this residue streams shows a high variability of CRM grades and suggest a cut-off grades for some of them. A combined gravity/flotation process have been developed for this residue which allow to recover up to 60% LREE with LREE grade of 1.6 to 0.5% for the gravity and flotation concentrate respectively