Rare earth elements, (REE), at ug g⁻¹ levels are used for studies of petrogenisis of different geological materials. For these studies, the REE must be determined precisely. An analytical program was established using an IL 200 Inductively Coupled Plasma, (ICP), spectrometer for the determination of the REE in various matrices, taking into consideration both matrix and spectral interferences, which were found to be severe in some cases. Dissolution of the sample, (0.4-1.0 g), was carried out using two methods; a microwave heated dissolution using a modified commercial microwave oven and a conventional oven heated closed pressure digestion vessel method. The results of these two methods were compared to determine the viability of using the more rapid microwave heated method. Separation of the REE from matrix elements was investigated using three cation exchange resins; Amber lite IR 120 (H), Zeocarb 225 and Dowex 50-WXS. A gradient acid elution method was established using a 15 cm by 20 mm Zeocarb 225 column. The sample was eluted with 140 ml of a 1.5 M H⁺ solution containing 0.75 M Cl⁻ and 0.75 M NO₃⁻, this fraction containing all the matrix elements. The REE were then eluted from the resin with 100 ml of 3 M HNO₃. The REE containing fraction was then reduced to 5 ml, diluted to 10 ml, and analysed for REE content. Liquid-liquid extraction methods for the separation of REE from matrix elements were investigated. It was found that the REE could be extracted synergistically from various buffered aqueous acidic media into chloroform, (CHCl₃), by hexafluoroacetylacetone, (HHFA), and quinoline. Acetylacetone, ( AcAc), was found to react with hexamethylenetetramine, (hexamine), when hexamine was used to buffer the aqueous phase during extraction procedures. The product of this reaction, 3.5-diacetyl-1.4-dihydro-2.6-dimethyl pyridine, was identified using X-ray crystallography.

Thesis (Master)--İzmir Institute of Technology, İzmir, 2004. / Includes bibliographical references (leaves. 50-54).

In this work samples of Barium Yttrium Fluoride (BaY2F8 -BaYF) doped with different concentrations of Tb3+, Er3+, Tm3+ e Nd3+ ions were characterized, aiming their application in radiation detection devices using their scintillating properties. Two types of samples were produced, polycrystalline samples, obtained via solid state reaction and single crystals, obtained via the floating zone melting method. The radioluminescence measurements (RL) revealed that the samples doped with 2.0 or 3.0 % Tb showed RL intensity at 545 nm two times higher than samples of CsI:Tl, although the total scintillation yield was smaller when compared to this commercial scintillator. Thermoluminescence (TL) results showed that all doped samples exhibited the same peak at 123 °C, which is characteristic of the matrix (BaY2F2). Comparison of the areas under the TL and RL curves for Tb3+ and Nd3+ doped BaYF revealed that the trapping centers are competing with the scintillation of the samples. However, this was not true for the Er3+ and Tm3+ doped samples and it was found that the scintillation yield is independent of the trap concentration up to a certain concentration limit. From this point on, the scintillation yields started increasing as the trap concentration increased. The radiation damage defects in BaYF:Tb3+ were studied via optical absorption (OA) and correlated with TL, showing that trapping centers are connected to the color centers. All samples exhibited different luminescence decay processes with time constants ranging from microseconds, for the fast processes, milliseconds, for the intermediate ones, and phosphorescent processes with decay time on the order of seconds. For the Nd3+ doped samples, very fast decay process was also found with time constants of about 60ns and that is an indication that this material can be used in fast detection systems, although its scintillation efficiency was weak. The combined results obtained with these techniques together with an analysis of X ray absorption spectroscopy (XAS) and X-rays Excited Optical Luminescence (XEOL) allowed the development of a model for the scintillation mechanism for the rare earth doped BaYF systems. / Neste trabalho as principais propriedades ópticas do Fluoreto de Bário e Ítrio (BaY2F8 - BaYF) dopado com diferentes concentrações dos íons Tb3+, Er3+, Tm3+ e Nd3+ foram estudadas visando a compreensão do mecanismo de cintilação e a aplicação em dispositivos que utilizam o princípio da cintilação para detecção de radiação. As amostras foram produzidas no Centro de Lasers e Aplicações no IPEN-SP. Dois tipos de amostras foram estudadas: amostras policristalinas, obtidas via síntese de estado sólido e amostras monocristalinas, obtidas pelo método de Fusão Zonal. Medidas de Radioluminescência (RL) revelaram que as intensidades de RL do BaYF dopado com 2,0 e 3,0 % de Tb3+ tanto para o monocristal quanto para o policristal são cerca de duas vezes maiores em 545 nm do que a do cintilador comercial CsI:Tl, apesar da eficiência de cintilação em todo o espectro visível ser menor do que a deste último. Utilizando a técnica de Termoluminescência (TL) observamos que todas as amostras dopadas apresentaram o mesmo pico em 123 °C característico da matriz (BaY2F2). Comparação entre as áreas sob a curva de RL e TL, para o BaYF dopado com Tb3+ e Nd3+, revelou que os centros de armadilhamento estão competindo com a cintilação da amostra, todavia este efeito não acontece para as amostras dopadas com Er3+ e Tm3+. Os defeitos gerados pelo dano de radiação para o BaYF:Tb3+ foram estudados através da Absorção Óptica (AO) e correlacionados com a TL, revelando que os centros de armadilhamento estão relacionados com centros de cor. Todas as amostras apresentaram diferentes processos de decaimento da luminescência com tempos característicos na ordem de microssegundos, para os mais rápidos, na ordem de milissegundos para os processos intermediários e, fosforescência de longa duração com tempos da ordem de segundos. A amostra dopada com Nd, apesar de possuir cintilação pouco intensa apresentou ainda um processo com tempo de vida muito curto, na ordem de nanosegundos, o que permite indicar a utilização deste material como detector rápido. Os resultados obtidos com estas técnicas, juntamente com análises de espectroscopia de absorção de raio X (XAS) e da emissão luminescente das amostras excitadas com raios X (XEOL), possibilitaram a elaboração de um modelo para o mecanismo de cintilação do BaY2F8 dopado.

We study the magnetocaloric effect in two magnetic materials, an alloy intermetallic Dy2RhGa8 monocrystalline and polycrystalline manganite shaped the La0.99Pb0.01MnO3. These compounds were characterized by the methods of X-ray diffraction at room temperature and dc magnetization as a function of temperature and applied magnetic field. From the magnetic measurements we conclude that the La 0.99Pb0.01MnO3 has a ferromagnetic transition below 250 K and is antiferromagnetic Dy2RhGa8 to temperatures lower than 11 K. Study was conducted on the magnetocaloric effect in the compounds with the calculation of their variations of entropy for different magnetic fields. The sample Dy2RhGa8 ordering antiferromagnetically at 7 Tesla had an entropy change of 2.4 J / mol K when the applied field is parallel to the crystallographic c axis of 2.1 J / mol K when the field is perpendicular to the c direction. the results were compared with a theoretical modeling of the crystal field Hamiltonian for best fit of the experimental data and obtain satisfactory results. / Neste trabalho estudamos o efeito magnetocalórico em dois materiais magnéticos, uma liga intermetálica monocristalina de Dy2RhGa8 e uma manganita em forma policristalina de La0.99Pb0.01MnO3. Estes compostos foram caracterizados por métodos de difratometria de raios X à temperatura ambiente, e magnetização dc em função da temperatura e do campo magnético aplicado. Das medidas magnéticas concluímos que o La0.99Pb0.01MnO3 apresenta uma transição ferromagnética abaixo de 250 K e o Dy2RhGa8 é antiferromagnético para temperaturas menores de 11 K. Foi feito o estudo do efeito magnetocalórico nos compostos com o cálculo de suas respectivas variações de entropia para diferentes campos magnéticos. A amostra de Dy2RhGa8 que ordena antiferromagneticamente a 7 Tesla teve uma variação de entropia de 2,4 J/mol K quando o campo aplicado for paralelo ao eixo cristalográfico c e de 2,1 J/mol K quando o campo for perpendicular a direção c. os resultados foram comparados com um modelo teórico de modelagem da Hamiltoniana de campo cristalino para melhor ajuste dos dados experimentais e obtemos resultados satisfatórios.

The aims of this work were to produce and investigate the properties of NaYP2O7 and NaY0.99Ln0.01P2O7 (Ln = Ce, Sm, Eu, Tb and Yb) polycrystalline samples. The synthesis was done via a modified sol-gel method using PVA as polymeric agent. In order to obtain single crystalline phase, it was necessary to use molar ratio Na:Y:P = 1.15:1:2, which is not the stoichiometric, with two calcination steps at 400 ºC / 4 h and 600 ºC / 4 h. Structural characterizations of the synthesized material were performed by X-ray Diffraction and Absorption (XRD and XAS). It was observed that the dopant ions were incorporated into the matrix without changing the structure. Under VUV excitation, the undoped sample presented a luminescent emission spectrum which was attributed to self-trapped exciton recombination. On the other hand, the photoluminescence (PL) of doped samples presented the emission lines characteristic of each dopant. From the photoluminescence excitation curves, 4f-5d transitions were identified for Ce3+, Sm3+ and Tb3+ doped samples and charge transfer processes were noticed for that of Eu3+, Sm3+ and Yb3+. The experimental data of PL was used to determine the positions of the energy levels of all lanthanides (with oxidation states of 3+ or 2+) relative to the valence and conduction bands of NaYP2O7. The model successfully provided the positions of electronic levels within the bandgap, with excellent agreement with the experimental spectra. Thermoluminescence (TL) glow curves were measured for co-doped samples NaYP2O7:Ce3+,Ln3+ (Ln = Dy, Ho and Sm) in order to investigate the nature of the trapping centres. The values determined for the activation energies were comparable with the position of dopant-induced electronic levels, whereas the frequency factor related to the TL peak of Ho-doped sample agreed with the phonon frequency for the lattice. The results indicate that the Ce3+ acts as recombination centre whereas the codopants create electron trap levels. / Os objetivos centrais deste trabalho foram a produção e a investigação das propriedades de amostras policristalinas de NaYP2O7 e NaY0.99Ln0.01P2O7 (Ln = Ce, Sm, Eu, Tb e Yb). A produção foi feita por uma rota sol-gel usando PVA como agente polimérico. Para se obter a fase cristalina única, foi necessário utilizar uma razão molar Na:Y:P = 1.15:1:2, que não é a estequiométrica, com duas calcinações, a 400 ºC / 4h e a 600 ºC / 4h. A caracterização estrutural do material produzido foi realizada por Difração e Absorção de raios X (DRX e XAS). Observou-se que os íons dopantes são incorporados à matriz, ocupando o sítio do Y, sem, no entanto, provocar alteração da estrutura cristalina. Sob excitação na região do VUV, amostra não-dopada apresentou um espectro de emissão luminescente que foi atribuído à recombinação de éxcitons auto-armadilhados. Por outro lado, a fotoluminescência (PL) das amostras dopadas apresentou as linhas de emissão características de cada dopante. Nos espectros de excitação da fotoluminescência nestas amostras, as transições 4f-5d foram identificadas para as amostras dopadas com Ce3+, Sm3+ e Tb3+, e processos de transferência de carga para Sm3+, Eu3+ e Yb3+. Os dados experimentais de PL foram usados para determinar as posições dos níveis de energia de todos lantanídeos (com estados de oxidação 3+ ou 2+) em relação à banda de valência e de condução do NaYP2O7. O modelo utilizado forneceu com êxito a posição dos níveis eletrônicos na região proibida, em excelente concordância com os espectros experimentais. Curvas de termoluminescência (TL) foram medidas para amostras co-dopadas NaYP2O7:Ce3+,Ln3+ (Ln = Dy, Ho e Sm) a fim de investigar a natureza dos centros de armadilhamento. Os valores de energia de ativação determinados foram compatíveis com as posições dos níveis eletrônicos determinados por PL e o fator de frequência relacionado ao pico TL da amostra dopada com Ho coincidiu com a frequência de fônons da rede. Os resultados revelaram ainda que o Ce3+ atua como centro de recombinação, enquanto os codopantes são responsáveis pela criação de níveis de armadilhas de elétrons.

Hydroxyapatite - HAP compound have been widely studied due to several application. This materials approach important properties as bioactivity, biocompatibility and biofunctionality. HAP is a main biomaterials used as a ceramic material due the ability to replace bone tissue due to similar characteristics and properties to the tissue. A range of interesting application occurs when the HAP is doped. Therefore, a computer modelling, based on energy minimisation approach, was used to investigate the defects in HAP. A new set of potential parameters were fitted in order to reproduce all the experimental crystalline structure involved dopant schemes. In the next step, this potential model was used to model the intrinsic defects. According to the obtained energy, we found that pseudo-Schottky defect is more likely to occur, followed by Ca Frenkel defects. Finally, the formation of extrinsic defects induced by divalent ions, trivalent transition ions, trivalent rare-earth ions, tetravalent ions and pentavalent ions were modelled. The results show that the incorporation of the divalent ions is more likely to be substituted in the calcium site. For trivalent transition metals ions, it was found that is preferentially substitutes at the Ca compensated by interstitial oxygen. In the case of trivalent rare-earth dopant was observed that all of the trivalent rare-earth ions prefer to be incorporated in the Ca site compensated by the calcium vacancy, interstitial oxygen, phosphorus vacancy and interstitial hydroxyl,as being the more likely mechanisms. For tretavalent ions, it found an opposity behavior: Mn4+ prefers to be incorporated in the P site compensated oxygen vacancy, but in the case of ion Cr4+ has been found that the incorporation prefer be incorporated in the Ca site compensated by the hydroxyl interstitial defect. The last step, it.s found that Nb5+is preferentially substitutes at the Ca compensated by interstitial hydroxyl. / Os compostos formados a base de fosfatos de cálcio têm sido muito utilizados em diferentes aplicações biomédicas devido a sua excelente capacidade de ser considerado como um material que apresenta importantes propriedades de bioatividade, biocompatibilidade e biofuncionalidade com os mais diversos tipos de tecidos. Dentre tipos de fosfatos, a Hidroxiapatita HAP, composto cuja fórmula [Ca10(PO4)6(OH)2] é um dos principais biomateriais cerâmicos utilizados como um material que apresenta a capacidade de substituição nos tecidos óssea devido as suas características e propriedades serem similares aos tecidos a que são incorporados. A HAP quando dopada, pode apresentar interessantes aplicações tecnológicas. Deste modo, para estudar a incorporação dos dopantes na HAP utilizamos do método da modelagem computacional estática. Na primeira etapa, foi obtido um novo conjunto de potenciais que reproduziu as estruturas cristalinas para os óxidos precursores de cálcio, fósforo e a estrutura da HAP. Em seguida, foram estudados os defeitos intrínsecos do tipo Schottky e Frenkel. Dos resultados obtidos foi possível concluir que o defeito mais provável de ocorrer foi o defeito pseudo-Schottky do cálcio, seguido do defeito Frenkel de cálcio. Foi observamos também que de todos os defeitos intrínsecos calculados, os defeitos envolvendo vacância de cálcio foram os mais prováveis. O passo seguinte foi a determinação dos defeitos extrínsecos para as incorporações de metais: divalentes, metais trivalentes de transição, trivalentes terras-raras, tetravalentes e pentavalentes. Para a incorporação dos íons divalentes verificamos que eles são mais prováveis serem substituídos no sítio de cálcio. No caso dos metais trivalentes de transição, os mecanismos de incorporação no sítio de cálcio compensado por oxigênio intersticial e o mecanismo de incorporação no sítio de cálcio compensado por vacância de fósforo ambos no sítio de Ca1 foram os defeitos mais favoráveis. Para o caso dos dopantes trivalentes terras-raras foram observadas que todos os íons terras-raras trivalentes preferem serem substituídos no sítio de cálcio compensado por vacância de cálcio, oxigênio intersticial, vacância de fósforo e hidroxila intersticial, como sendo os mecanismos mais prováveis. Para caso dos defeitos tetravalente, foram observados comportamentos diferentes. No caso do íon dopante Mn4+, foi notado que este prefere ser incorporado no sítio de P compensado por vacância de oxigênio, já no caso do íon de Cr4+, foi verificado que a incorporação no sítio de Ca compensado por hidroxila intersticial foi o mais mais provável. Por fim, foi a verificada que a substituição do Nb5+ no sítio de cálcio compensado por hidroxila intersticial foi o mecanismo mais provável.

Photorefractive BTO presents useful properties for applications such as real-time holography, coherent light amplification and optical information processing, among others. The performance strongly depends on the defects induced by impurities, which can act as charge donors or acceptors. Defects can also be created by doping so that the properties can be adjusted to the desired application. Since ceramic reproduce well the single crystal properties and have advantages such as the simplicity and low cost of processing, they become suitable for the study of the relationship between properties and defects in this material. The subject of this work was the production and characterization of bismuth titanate ceramics ( Bi12TiO20 - BTO) pure and doped with transition metals and rare earths. The study was focused on the point defects related to the site occupancy of the dopant in the BTO matrix, as well as on the valence of the dopant and possible charge compensation mechanisms associated with the defects. In this work, BTO ceramics were produced by solid state synthesis with calcination at 700º C/6h and sintering at 800º C/3h. The characterization techniques employed were Xray Diffraction (XRD), X-ray absorption spectroscopy (XAS), Scanning Electron Microscopy (SEM) and Impedance Spectroscopy (IS). Undoped and Dy , Er , Eu, Cr and Mn-doped BTO ceramic powders were produced, as well as ceramic bodies undoped and doped with Dy, Cr and Mn. All samples presented single phase Bi12TiO20. The XAS analysis revealed the presence of T4+ and metallic Ti in BTO, a result that adds detail to the model for the formation of intrinsic defects in this material. Transition metals Cr and Mn presented oxidation states 6+ and 4+, respectively, when inserted into the BTO matrix, while the other elements present valence 3+. Concerning the site occupancy, it was determined that the Dy tends to occupy the Bi3+ site, while Er, Eu, Mn and Cr tend to occupy the Ti4+ site. Impedance measurements showed that none of the doped samples had higher dark conductivity than pure sample. For the samples doped with Mn and Dy, which tend to occupy the Ti and Bi sites, respectively, the charge transport mechanisms are exactly the same as those verified in pure sample. For the Cr-doped sample, the Ti substitution occurs with a charge compensation mechanism that possibly give rise to new defects in the material. / O BTO possui propriedades fotorrefrativas de interesse para aplicações como a holografia em tempo real, a amplificação de luz coerente e processamento de informação óptica, entre outras. O desempenho dos cristais fotorrefrativos depende fortemente dos defeitos criados por impurezas, os quais podem atuar como doadores ou aceitadores de carga. Os defeitos também podem ser inseridos por dopagem a fim de que as propriedades sejam adaptadas ao objetivo desejado. Uma vez que cerâmicas reproduzem bem as características do monocristal e apresentam vantagens de produção em relação aos materiais monocristalinos, como facilidade e baixo custo de processamento, elas se tornam adequadas ao estudo da relação entre defeitos e propriedades neste material. O objetivo deste trabalho foi a produção e caracterização de cerâmicas de Titanato de Bismuto (Bi12TiO20 - BTO) puro e dopado com metais de transição e terras raras, visando o estudo dos defeitos pontuais relacionados com e sitio de ocupação do dopante na matriz do BTO, valência do íon dopante incorporado na matriz cristalina e possíveis mecanismos de compensação de carga associados aos defeitos. Neste trabalho, cerâmicas de BTO foram produzidas por síntese de estado sólido, com calcinação a 700º C/6h, seguida de sinterização a 800º C/3h. Utilizamos como principais técnicas de caracterização a Difratometria de Raios X (DRX), Espectroscopia de Absorção de Raios X (XAS), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e Espectroscopia de Impedância (IS). Foram produzidos pós cerâmicos puros e dopados com Dy, Er, Eu, Cr e Mn e corpos cerâmicos de BTO puros e dopados com Dy, Cr e Mn. Todas as amostras apresentaram a fase Bi12TiO20. As análises de XAS mostraram a presença de Ti4+ e Ti metálico no BTO, resultado que acrescenta detalhes ao modelo de formação do defeito intrínseco neste material. Os metais de transição Cr e Mn apresentaram estados de oxidação 6+ e 4+, respectivamente, quando inseridos na matriz de BTO, enquanto os outros elementos apresentaram valência 3+. Em relação ao sítio ocupado pelos íons dopantes, determinou-se que o Dy tende a ocupar o sítio do Bi3+, enquanto o Er, Eu, Cr e Mn tendem a ocupar o sítio do Ti4+. As medidas de impedância mostraram que nenhuma das amostras dopadas apresentou maior condutividade no escuro do que a amostra pura. Nas amostras dopadas com Mn e Dy que ocupam o sitio do Ti e Bi, espectivamente os mecanismos de transporte de carga são exatamente iguais ao da amostra pura. Na amostra dopada com Cr, ao substituir o sitio do Ti ocorrem mecanismos de compensação de carga que dão origem a novos defeitos no material.

In this work, our initial efforts have been directed to study the behavior of the magnetization as a function of temperature, calculated according to the approximate method of the anisotropy constants and the resolution of a Hamiltonian (that includes the crystal field) as exemplified for the DyAl2 compound. Furthermore, we investigated the magneto-thermal characteristics of some members of the RX2 series (R: rare earth, X: Al, Ni), including spin reorientation (SR), by using a model Hamiltonian, that consists of localized magnetic moments interacting via exchange and crystal field interaction, in the molecular-field approximation. We studied how the SR depends on the direction of the application of magnetic field, the intensity of this field and temperature. For the magnetic calculations, the problem of self-consistency was solved by using a computational routine developed in the Fortran 90 programming language. We emphasize that special attention was directed to the crystal field, because of its high relevance to the anisotropic characteristics of the RX2 studied compounds. Thus, in our attempts to study the peculiarities of the rare earth elements, due to crystal field effects, we have not only considered the intensity change, but the direction change of the applied field. In the cases of both Er+3 and Tb+3 compounds, we obtained second-order or continuous magnetization behavior along the polar angle axis. We stressed that the crystal field terms plays an important role in the first order spin reorientation for Dy+3 and Ho+3 compounds. First, it can be revealed by the discontinuity in the Cartesian components of the magnetization vector as a function of the polar angle. Second, the discontinuity is of great importance in the calculation of latent heat associated to the spin reorientation in the case where the first order transitions were observed. Finally, we were able to separate the first and second order contributions of the anisotropic magnetic entropy change, which is the main result of this work. / Neste trabalho, nossos esforços iniciais foram direcionados a estudar o comportamento da magnetização em função da temperatura, calculado segundo o método aproximativo das constantes de anisotropia e da resolução de um hamiltoniano (que inclui o campo cristalino) como exemplificado para o composto DyAl2. Além disto, investigamos as características magneto-térmicas de alguns integrantes da série RX2 (R: Terra rara; X: Al, Ni), incluindo a reorientação de spin (RS), usando um hamiltoniano modelo que consiste de momentos magnéticos localizados interagentes via interações de troca e de campo cristalino, na aproximação do campo molecular. Estudamos como a RS depende da direção de aplicação do campo magnético, da sua intensidade e da temperatura. Para os cálculos magnéticos, o problema da auto consistência foi solucionado utilizando uma rotina, computacional desenvolvida na linguagem computacional Fortran 90. Ressaltamos que, uma atenção especial foi direcionada ao campo cristalino, por conta da sua alta relevância sobre as características anisotrópicas dos compostos RX2 estudados. Portanto, em nossas tentativas para estudar as peculiaridades dos elementos terras raras, devido aos efeitos do campo cristalino, não consideramos somente a mudança na intensidade, mas a variação na direção do campo aplicado. No caso dos compostos Er+3 e Tb+3, obteve-se um comportamento da magnetização de segunda ordem ou contínuo face à mudança do ângulo polar. Salientamos que os termos de campo cristalino desempenham um papel fundamental na reorientação de spin de primeira ordem para Dy+3 e Ho+3. Primeiro, tal transição pode ser revelada por uma descontinuidade nas componentes cartesianas do vetor de magnetização em função do ângulo polar. Segundo, a descontinuidade é de grande importância para o cálculo do calor latente associado à reorientação spin nos casos em que foram observadas as transições de primeira ordem. Finalmente, foi possível separar as contribuições de primeira e segunda ordem da variação de entropia magnética anisotrópica, o qual é o principal resultado deste trabalho.