O presente trabalho descreve os processos de preparação do aluminato de bário e cálcio, material emissor de elétrons, empregados nos catodos do tipo impregnado para utilização em uma válvula de microondas do tipo TWT. Os catodos investigados constituem-se de uma pastilha de tungstênio porosa impregnada com aluminato de bário e cálcio com proporção molar 5:3:2. Para a síntese do aluminato, utilizaram-se três diferentes métodos: reação em estado sólido, precipitação e cristalização. A termogravimetria auxiliou na consolidação dos procedimentos de preparação dos aluminatos de modo a definir os parâmetros de pirólise/calcinação. Verificou-se que a técnica que apresentou melhores características de síntese foi o método da cristalização, pois esta apresentou uma menor temperatura de formação do aluminato (800ºC) em atmosfera oxidante (O2), quando comparada às técnicas de reação em estado sólido e de precipitação (temperatura de 1000ºC em atmosfera redutora – H2). Utilizou-se o conceito da distribuição da função trabalho prática (PWFD) de Miram para a caracterização termiônica dos catodos impregnados. Empregando-se este método, foi possível traçar o perfil termiônico do catodo com aluminato de bário e cálcio. As curvas PWFD apresentaram a função trabalho média do catodo aluminato de, aproximadamente, 2,00 eV. / In the present work it is described the barium calcium aluminate manufacture processes employed to produce impregnated cathodes to be used in a traveling-wave tube (TWT). The cathodes were developed using a tungsten body impregnated with barium and calcium aluminate with a 5:3:2 proportion (molar). Three different processes were investigated to obtain this material: solid-state reaction, precipitation and crystallization. Thermal analysis, thermogravimetry specifically, supported to determine an adequate preparation procedure (taking into account temperature, time and pirolisys atmosphere). It was verified that the crystallization showed a better result when compared to those investigated (solid-state reaction and precipitation techniques – formation temperature is about 1000ºC in hydrogen atmosphere), whereas it presented the lower formation temperature (800ºC) in oxidizing atmosphere (O2). It was used the practical work function distribution theory (PWFD) of Miram to characterize thermionic impregnated cathode. The PWFD curves were used to characterize the barium-calcium aluminate cathode. PWFD curves shown that the aluminate cathode work function is about 2,00 eV.

O presente trabalho descreve os processos de preparação do aluminato de bário e cálcio, material emissor de elétrons, empregados nos catodos do tipo impregnado para utilização em uma válvula de microondas do tipo TWT. Os catodos investigados constituem-se de uma pastilha de tungstênio porosa impregnada com aluminato de bário e cálcio com proporção molar 5:3:2. Para a síntese do aluminato, utilizaram-se três diferentes métodos: reação em estado sólido, precipitação e cristalização. A termogravimetria auxiliou na consolidação dos procedimentos de preparação dos aluminatos de modo a definir os parâmetros de pirólise/calcinação. Verificou-se que a técnica que apresentou melhores características de síntese foi o método da cristalização, pois esta apresentou uma menor temperatura de formação do aluminato (800ºC) em atmosfera oxidante (O2), quando comparada às técnicas de reação em estado sólido e de precipitação (temperatura de 1000ºC em atmosfera redutora – H2). Utilizou-se o conceito da distribuição da função trabalho prática (PWFD) de Miram para a caracterização termiônica dos catodos impregnados. Empregando-se este método, foi possível traçar o perfil termiônico do catodo com aluminato de bário e cálcio. As curvas PWFD apresentaram a função trabalho média do catodo aluminato de, aproximadamente, 2,00 eV. / In the present work it is described the barium calcium aluminate manufacture processes employed to produce impregnated cathodes to be used in a traveling-wave tube (TWT). The cathodes were developed using a tungsten body impregnated with barium and calcium aluminate with a 5:3:2 proportion (molar). Three different processes were investigated to obtain this material: solid-state reaction, precipitation and crystallization. Thermal analysis, thermogravimetry specifically, supported to determine an adequate preparation procedure (taking into account temperature, time and pirolisys atmosphere). It was verified that the crystallization showed a better result when compared to those investigated (solid-state reaction and precipitation techniques – formation temperature is about 1000ºC in hydrogen atmosphere), whereas it presented the lower formation temperature (800ºC) in oxidizing atmosphere (O2). It was used the practical work function distribution theory (PWFD) of Miram to characterize thermionic impregnated cathode. The PWFD curves were used to characterize the barium-calcium aluminate cathode. PWFD curves shown that the aluminate cathode work function is about 2,00 eV.

Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq / In this work, the synthesis condition (complexing agent and temperature and time of calcination) were studied aiming to produce BaAl2O4 samples in the ferroelectric hexagonal phase. Pure and Eu3+ - doped samples were produced and its luminescent properties were investigated. BaAl2O4 was prepared using several thermal treatment conditions, via an alternative sol-gel route, using coconut water or PVA as the complexing agents. The sample production at 600 °C/5h is quite interesting, since to date the lowest calcination temperatures found in the literature was 650 ° C using reagents with high degree of toxicity DTA / TG measurements indicated a possible start of the crystallization of the material at approximately 600 ° C, and the X-ray powder diffraction (XRD) confirm the formation of the desired phase of the calcined barium aluminate at that temperature. The results of the Rietveld refinements showed the occurrence of secondary phase in the samples produced at 600 ° C / 5h, presenting 5% of phase Ba(NO3)2, while single phase was found for samples calcined at 1200 ° C for 2 and 5h. Analysis of the diffractogram by the Scherrer equation showed smaller crystallite size for samples calcified at 600 °C/5h, but apparently with a lower degree of crystallinity than the sample prepared at 1200 ° C/ 2 and 5h. The photoluminescence measurements showed that the emission spectra of the samples have great dependence on the times, temperatures and complexing agents used. In particular, samples calcined at 600 ° C have very different characteristics with regard to the probabilities of emissions associated with Eu3+ when compared with samples produced at higher temperatures. Differences observed in the spectra of samples produced via different complexing agents are possibly due to defects created in the materials by impurities present in the coconut water. Samples produced using PVA present sites with higher symmetry, which was evidenced by a lower relative emission of the 5D0→7F2 transition, which is hypersensitive to site symmetry. Analysis of PL measurements performed on pure samples showed a broad emission band, indicating that the material has intrinsic luminescence in all cases. This band is possibly due to the intrinsic defects, F centers and F + centers emisisons. The radioluminescent spectra presented emissions referring to both the Eu3+ and Eu2+ ions, indicating reduction of the europium ion. It was confirmed that this reduction is due to the incident radiation, since XANES measurements showed that only Eu3+ is present in the materials produced. From the comparison between the radioluminescent spectra it was concluded that the samples calcined at 600 ° C have a higher stability of the Eu3+ ions incorporated in the matrix, being more difficult the reduction due to the radiation. / Neste trabalho foram estudados os efeitos da rota de produção e da temperatura e tempo de síntese do sistema BaAl2O4 na fase ferroelétrica hexagonal. Foram produzidas amostras puras e dopadas com íons Eu3+. O BaAl2O4 foi preparado utilizando uma variação da rota sol gel, usando como agentes complexantes, água de coco ou PVA, com temperaturas de calcinação a 600 e a 1200°C. Este resultado se mostra bastante interessante, visto que, até hoje as menores temperaturas de calcinação encontradas na literatura foram 650°C utilizando reagente com alto grau de toxidade. Medidas de DTA/TG e DRX, realizadas para caracterização estrutural, indicam um possível início da cristalização do material em aproximadamente 600°C, e as difratometrias confirmam a formação da fase desejada do aluminato de bário calcinada nessa temperatura. Os resultados dos refinamentos Rietveld mostraram a ocorrência de fase secundária nas amostras produzidas a 600 °C/5h, apresentando 5% da fase Ba(NO3)2, enquanto fase única foi encontrada para amostras calcinadas a 1200 °C por 2 e 5h. Análises do difratograma por meio da equação de Scherrer mostraram menor tamanho de cristalito para amostras calcinadas a 600 °C/5h, porém, aparentemente com menor grau de cristalinidade do que a amostra preparada a 1200°C. As medidas de fotoluminescência mostraram que os espectros de emissão das amostras tem grande dependência com tempos, temperaturas e agentes complexantes utilizados. Em especial, amostras calcinadas a 600 °C apresentam características bem diferentes no que diz respeito às probabilidades das emissões associadas ao Eu3+, quando comparadas com amostras produzidas em temperaturas mais elevadas. Diferenças observadas nos espectros de amostras produzidas via diferentes agentes complexantes, possivelmente são devido a defeitos criados nos materiais por impurezas presentes na água de coco. Amostras produzidas utilizando PVA, apresentam sítios com maior simetria, o que foi evidenciado por uma menor emissão relativa da transição 5D0→7F2, que é hipersensível à simetria do sítio. Análise das medidas PL realizadas em amostras puras mostraram uma larga banda de emissão, indicando que o material possui luminescência intrínseca em todos os casos. Uma possível explicação para esta emissão é ela ser devida a centros F e centros F+ que apresentam-se nesta região espectral em vários óxidos, especialmente aqueles baseados no alumínio. Os espectros radioluminescentes apresentaram emissões referentes tanto aos íons Eu3+ como também Eu2+, indicando redução do íon európio. Foi confirmada que essa redução deve-se à radiação incidente, já que, medidas de XANES mostraram que apenas Eu3+ está presente nos materiais produzidos. Da comparação entre os espectros radioluminescentes pôde-se concluir que as amostras calcinadas a 600°C tem maior estabilidade dos íons Eu3+ incorporados na matriz, sendo mais difícil a redução por conta da radiação.

Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq / In this work, the synthesis condition (complexing agent and temperature and time of calcination) were studied aiming to produce BaAl2O4 samples in the ferroelectric hexagonal phase. Pure and Eu3+ - doped samples were produced and its luminescent properties were investigated. BaAl2O4 was prepared using several thermal treatment conditions, via an alternative sol-gel route, using coconut water or PVA as the complexing agents. The sample production at 600ºC/5h is quite interesting, since to date the lowest calcination temperatures found in the literature was 650 º C using reagents with high degree of toxicity DTA / TG measurements indicated a possible start of the crystallization of the material at approximately 600 º C, and the X-ray powder diffraction (XRD) confirm the formation of the desired phase of the calcined barium aluminate at that temperature. The results of the Rietveld refinements showed the occurrence of secondary phase in the samples produced at 600 º C / 5h, presenting 5% of phase Ba(NO3)2, while single phase was found for samples calcined at 1200 º C for 2 and 5h. Analysis of the diffractogram by the Scherrer equation showed smaller crystallite size for samples calcified at 600 ºC/5h, but apparently with a lower degree of crystallinity than the sample prepared at 1200 º C/ 2 and 5h. The photoluminescence measurements showed that the emission spectra of the samples have great dependence on the times, temperatures and complexing agents used. In particular, samples calcined at 600 º C have very different characteristics with regard to the probabilities of emissions associated with Eu3+ when compared with samples produced at higher temperatures. Differences observed in the spectra of samples produced via different complexing agents are possibly due to defects created in the materials by impurities present in the coconut water. Samples produced using PVA present sites with higher symmetry, which was evidenced by a lower relative emission of the 5D0-7F2 transition, which is hypersensitive to site symmetry. Analysis of PL measurements performed on pure samples showed a broad emission band, indicating that the material has intrinsic luminescence in all cases. This band is possibly due to the intrinsic defects, F centers and F + centers emisisons. The radioluminescent spectra presented emissions referring to both the Eu3+ and Eu2+ ions, indicating reduction of the europium ion. It was confirmed that this reduction is due to the incident radiation, since XANES measurements showed that only Eu3+ is present in the materials produced. From the comparison between the radioluminescent spectra it was concluded that the samples calcined at 600 º C have a higher stability of the Eu3+ ions incorporated in the matrix, being more difficult the reduction due to the radiation. / Neste trabalho foram estudados os efeitos da rota de produção e da temperatura e tempo de síntese do sistema BaAl2O4 na fase ferroelétrica hexagonal. Foram produzidas amostras puras e dopadas com íons Eu3+. O BaAl2O4 foi preparado utilizando uma variação da rota sol gel, usando como agentes complexantes, água de coco ou PVA, com temperaturas de calcinação a 600 e a 1200ºC. Este resultado se mostra bastante interessante, visto que, até hoje as menores temperaturas de calcinação encontradas na literatura foram 650ºC utilizando reagente com alto grau de toxidade. Medidas de DTA/TG e DRX, realizadas para caracterização estrutural, indicam um possível início da cristalização do material em aproximadamente 600ºC, e as difratometrias confirmam a formação da fase desejada do aluminato de bário calcinada nessa temperatura. Os resultados dos refinamentos Rietveld mostraram a ocorrência de fase secundária nas amostras produzidas a 600 ºC/5h, apresentando 5% da fase Ba(NO3)2, enquanto fase única foi encontrada para amostras calcinadas a 1200 ºC por 2 e 5h. Análises do difratograma por meio da equação de Scherrer mostraram menor tamanho de cristalito para amostras calcinadas a 600ºC/5h, porém, aparentemente com menor grau de cristalinidade do que a amostra preparada a 1200ºC. As medidas de fotoluminescência mostraram que os espectros de emissão das amostras tem grande dependência com tempos, temperaturas e agentes complexantes utilizados. Em especial, amostras calcinadas a 600 ºC apresentam características bem diferentes no que diz respeito às probabilidades das emissões associadas ao Eu3+, quando comparadas com amostras produzidas em temperaturas mais elevadas. Diferenças observadas nos espectros de amostras produzidas via diferentes agentes complexantes, possivelmente são devido a defeitos criados nos materiais por impurezas presentes na água de coco. Amostras produzidas utilizando PVA, apresentam sítios com maior simetria, o que foi evidenciado por uma menor emissão relativa da transição 5D0-7F2, que é hipersensível à simetria do sítio. Análise das medidas PL realizadas em amostras puras mostraram uma larga banda de emissão, indicando que o material possui luminescência intrínseca em todos os casos. Uma possível explicação para esta emissão é ela ser devida a centros F e centros F+ que apresentam-se nesta região espectral em vários óxidos, especialmente aqueles baseados no alumínio. Os espectros radioluminescentes apresentaram emissões referentes tanto aos íons Eu3+ como também Eu2+, indicando redução do íon európio. Foi confirmada que essa redução deve-se à radiação incidente, já que, medidas de XANES mostraram que apenas Eu3+ está presente nos materiais produzidos. Da comparação entre os espectros radioluminescentes pôde-se concluir que as amostras calcinadas a 600ºC tem maior estabilidade dos íons Eu3+ incorporados na matriz, sendo mais difícil a redução por conta da radiação.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / The defects and the optical properties of BaAl2O4 were carried out experimentally and compared with computer modelling predictions. In the computational modelling part, a set of potential parameters that could reproduce the available experimental crystal structures of all compounds of the family was obtained. Then the intrinsic and extrinsic defects were studied, including the process of reduction of rare earth ions. The solution energies of the extrinsic defects were obtained by two different methods. The first one is the infinite dilution approach, where a single defect is created in an infinite crystalline matrix. The second one, developed in our group, is the ideal solution approach that considers the total energetic coast to create a concentration of defects in the matrix. Using the previous results, the positions of the dopant and the first neighbours were used to calculate the crystal field parameters and the wavelength of the 4f internal transitions of the doping ions. A study of the equilibrium surfaces via computer modelling was also conducted, followed by prediction of the morphology of pure BaAl2O4. In the experimental part, the pure and doped BaAl2O4 samples were produced using the proteic sol-gel technique, where coconut water is used as a starting solvent for the metal salts. Thermal analysis techniques were employed to obtain the best conditions of calcination of the samples. The structural and microstructural characterization of the samples was made using the X-ray diffraction and transmission and scanning electron microscopy techniques. The analysis by X-ray diffraction showed the formation of BaAl2O4 phase calcined at 1100ºC/2hs and electronic microscopy showed nanoparticles with a hexagonal-like morphology with size varying from 50 to 100nm. The emission spectra of BaAl2O4: Eu exhibit typical transitions of Eu element indicating the incorporation of the dopant in the matrix of the produced material. Analysis of the results of X-ray spectroscopy (XAS) and emission of luminescence excited by X-ray samples (XEOL) enabled us to create a model that explains the behaviour found and can be used to propose a model for the scintillation properties of the doped nanopowders. The spectra showed typical emissions XEOL of doping ions (Eu, Dy and Ce). The dispersive X-ray absorption (DXAS) technique was used to monitor the kinetics of the reduction of Eu ions during irradiation using different reducing agents as provided by efficient computational modelling in order to verify the relationship between the generation of damage and the reduction process. A mechanism of XEOL for Eu-doped BaAl2O4 is proposed, taking into account the absorption of Xrays/ reduction of the Eu ions in the samples. / Neste trabalho o estudo dos defeitos e das propriedades ópticas no BaAl2O4 foi realizado experimentalmente e através da modelagem computacional, tanto para as amostras puras quanto para as amostras dopadas com íons terra raras. Na modelagem computacional foi obtido, primeiramente, um conjunto de parâmetros de potenciais que reproduziu as estruturas cristalinas experimentais de todos os compostos da família. Em seguida, os defeitos intrínsecos e extrínsecos foram investifados, incluindo o processo de redução dos íons terras raras. As energias de solução dos defeitos extrínsecos foram obtidas por dois métodos distintos, o método de diluição infinita e o método de solução ideal. O primeiro deles, um único defeito esta imerso numa matriz cristalina infinita. Já no segundo, desenvolvido pelo nosso grupo, considera-se o custo energético total para produzir certa concentração de defeitos. Utilizando os resultados anteriores, as posições do dopante de seus primeiros vizinhos obtidos a partir da simulação atomística foram usadas para obter os parâmetros do campo cristalino e, posteriormente, os comprimentos de onda das transições entre os níveis 4f dos íons dopantes. Ainda da modelagem computacional, foi realizado um estudo das energias de superfície, permitindo prever a morfologia do BaAl2O4 puro. Na parte experimental, o BaAl2O4 puro e dopado foi produzido via técnica Sol-gel protéica, em que a água de coco foi utilizada como solvente de partida para a produção das amostras. Técnicas de análise térmica foram empregadas visando obter as melhores condições de calcinação para formação dos óxidos. A caracterização estrutural e microestrutural das amostras foram feitas utilizando as técnicas de Difração por raios X e Microscopia eletrônica de transmissão e varredura. A análise por difração de raios X mostrou a formação da fase BaAl2O4 nas amostras de nanopós calcinados a 1100ºC/2h e as microscopias mostraram uma morfologia hexagonal de tamanho que variava de 30 a 100 nm. Os espectros de emissão do BaAl2O4:Eu exibem transições do elemento típicas do Eu indicando a incorporação do dopante nas matrizes dos materiais produzidos. Os resultados de espectroscopia de raios X (XAS) e de emissão luminecente das amostras excitadas com raios X (XEOL) possibilitaram a criação de um modelo que explica o comportamento encontrado. Os espectros XEOL apresentaram emissões típicas dos íons dopantes (Eu, Dy e Ce). A técnica de absorção de raios X dispersivos (DXAS) foi usada para acompanhar a cinética do processo de redução dos íons Eu utilizando diferentes agentes redutores previstos pela modelagem computacional, com o intuito de verificar a relação entre a geração de danos e o processo de redução. Um mecanismo de XEOL do BaAl2O4 dopado com Eu foi proposto, levando em conta os processos de absorção de raios X e redução dos íons Eu nas amostras.

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.

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.