Neste trabalho são apresentados estudos de produção e caracterização de amostras vítreas de TeO2-PbO-GeO2 dopadas com íons de érbio, túlio e itérbio preparadas com diferentes nanopartículas metálicas para aplicações em dispositivos como displays coloridos. Este sistema vítreo apresenta uma larga janela de transmissão no visível e no infravermelho (350 6500 nm), alta solubilidade para os íons de terras raras, baixa energia de fônon (em torno de 700 cm-1) e considerável estabilidade química, mecânica e térmica, que são fatores indispensáveis para produção de displays ou dispositivos utilizados para iluminação. Este trabalho pode ser dividido em três partes, sendo iniciado com o estudo da fotoluminescência de vidros de telureto com dopante érbio, seguido do estudo da codopagem com érbio e itérbio. Na segunda parte é estudada a interferência das nanopartículas metálicas na luminescência das amostras codopadas com érbio e itérbio e, finalmente, na terceira parte, são estudadas amostras tridopadas com érbio, túlio e itérbio com e sem nanopartículas metálicas. Através das medidas de absorção óptica e medidas de emissão, foi observada a incorporação dos íons de terras raras na forma trivalente e por meio das medidas de microscopia eletrônica de transmissão de elétrons foi analisada a nucleação das nanopartículas metálicas. Dentre as amostras codopadas, produzidas com diferentes nanopartículas metálicas, destaca-se a amostra com nucleação de prata para a qual foi observado aumento da luminescência de conversão ascendente do érbio de aproximadamente 50%. As amostras tridopadas mostraram-se promissoras para aplicações com displays coloridos. / This works presents studies of the production and the characterization of TeO2 -PbO-GeO2 doped with erbium, thulium and ytterbium ions and also prepared with different metallic nanoparticles for applications in displays. This glass system presents a broad transmission window in the visible and infrared (350 - 6500 nm), high solubility for rare earth ions, low phonon energy (about 700 cm-1) and considerable chemical, mechanical and thermal, stabilities which are important factors for the production of displays or devices used for illumination. This work can be divided in three parts, and starts with the study of the photoluminescence of teluritte glasses doped with erbium followed by the study of erbium and ytterbium codoped glasses. The second part presents the influence of metallic nanoparticles on the luminescence of samples codoped with erbium and ytterbium and, finally, in the third part, the study of samples doped with erbium, thulium and ytterbium with and without metallic nanoparticles. The incorporation of rare earth ions in the trivalent form was determined by means of optical absorption and emission measurements and, by using the transmission electron microscopy technique to the nucleation of metallic nanoparticles. Among the codoped samples, produced with different metallic nanoparticles, we remark the sample produced with silver nanoparticles that presented enhancement of erbium upconversion luminescence of approximately 50%. Samples doped with erbium, thulium and ytterbium showed possible applications for full color displays.

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Esse interesse tem motivado a pesquisa e o desenvolvimento de células fotovoltaicas (CFs) mais eficientes e baratas. Assim, a energia solar fotovoltaica tem sido uma opção para se complementar e ampliar a geração de eletricidade. Entretanto, as células de silício cristalino (Si-c) disponíveis no mercado apresentam baixa eficiência de conversão da radiação luminosa em energia elétrica devida, principalmente, às perdas por incompatibilidade espectral entre as regiões de máxima emissão solar (região do visível - Vis) e de máxima eficiência fotovoltaica da célula de Si-c (região do infravermelho - IV). Para minimizar essas perdas e, consequentemente, melhorar a eficiência da CF, conversores descendentes de energia compostos por íons terras-raras são usados na conversão de fótons de alta energia (Vis) em fótons de menor energia (IV). Nesse ínterim, no presente trabalho foram estudadas as propriedades espectroscópicas dos íons neodímio (Nd3+) e itérbio (Yb3+) incorporados, como dopantes, no vidro telurito-tungstênio (TW). Tais propriedades foram obtidas a partir de medidas de difração de raios-X, densidade de massa, espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier, Raman, absorção óptica, luminescência, excitação, evolução temporal da luminescência e lente térmica. Este estudo foi dividido em duas etapas. Primeiramente, vidros TW dopados com Nd3+ foram preparados em diferentes atmosferas, i.e., uma atmosfera ambiente e outra rica em O2, para investigação da influência dos grupos hidroxilas (OH) nas propriedades espectroscópicas de amostras com diferentes concentrações de Nd3+. A dependência com a concentração indicou que a transferência de energia do íon Nd3+ para o grupo OH foi desprezível e que a eficiência quântica luminescente do nível 4F3/2 diminuiu com o aumento da concentração de Nd3+. Posteriormente, vidros TW co-dopados com Nd3+ e Yb3+ foram preparados em atmosfera ambiente para investigação da correlação entre os íons Yb3+ e os mecanismos de conversão descendente de energia (CDE). Os resultados mostraram que a luminescência, oriunda do nível 4F3/2, diminuiu com o aumento da concentração de íons Yb3+. Simultaneamente, observou-se um aumento correspondente na emissão do Yb3+ e uma redução no calor gerado pela amostra. A transferência de energia Nd3+ → Yb3+ foi observada qualitativamente e a eficiência dessa transferência foi avaliada quantitativamente por valores do tempo de vida. Esses resultados indicam que o vidro TW co-dopado com íons Nd3+ e Yb3+ é um sistema com potencial para ser usado como material conversor descendente de energia aplicado sobre as células fotovoltaicas de Si-c. / The demand for new and renewable energy sources has been of great appeal due to the reduction of environmental impacts. This interest has motivated the research and the development of more efficient and less expensive photovoltaic (PV) cells. Thus, the photovoltaic solar energy has been an option to complement and expand the generation of electricity. However, commercialized crystalline silicon cells present low conversion efficiency of the light irradiation energy into electric energy, mainly due to the spectral mismatch between the regions of maximum solar emission (visible spectrum) and of maximum PV cell efficiency, which is in infrared region. To minimize such losses and, consequently, improve the efficiency of PV cell, down-converters with rare-earth ions in their structure are used to convert the high energy photons (at the visible - Vis) into low energy photons (at the infrared - IR). Meanwhile, in the present work we study the spectroscopic properties of neodymium (Nd3+) and ytterbium (Yb3+) ions incorporated as dopants in a tellurite-tungsten (TW) glass matrix. The characterization of the samples were obtained from measurements of X-ray diffraction, mass density, Fourier transform infrared spectroscopy, Raman spectroscopy, optical absorption, luminescence, excitation, temporal evolution of the luminescence and thermal lens. This study was divided into two stages. Primarily, Nd3+-doped TW glasses were prepared in different atmospheres, i.e., an ambient atmosphere and in another rich in O2 to investigate the influence of the hydroxyl (OH) groups in the spectroscopic properties of samples with different concentrations of Nd3+. The results showed that the energy transfer from Nd3+ ion to the OH group was negligible. The concentration dependency indicated that the energy transference from the Nd3+ ion to the OH group was negligible. In addition, the luminescent quantum efficiency of 4F3/2 level decreased with increasing of Nd3+ concentration. Subsequently, Nd3+ and Yb3+ co-doped TW glasses were prepared in ambient atmosphere to investigate the correlation between Yb3+ ions and down-conversion (DC) mechanisms. The results showed that the luminescence of the 4F3/2 decreased as the concentration of Yb3+ was increased. Simultaneously, it was observed a corresponding increase in the emission of the Yb3+ and a reduction in the generated heat by the sample. The Nd3+ → Yb3+ energy transfer was observed qualitatively and the efficiency of such transfer was quantitatively evaluated by lifetime values. The results indicate that the co-doped TW glasses by Nd3+ and Yb3+ are systems with potential to be used as down-converter material applied to the c-Si photovoltaics cells.

Orientador: João Carlos Silos Moraes / Abstract: The demand for new and renewable energy sources has been of great appeal due to the reduction of environmental impacts. This interest has motivated the research and the development of more efficient and less expensive photovoltaic (PV) cells. Thus, the photovoltaic solar energy has been an option to complement and expand the generation of electricity. However, commercialized crystalline silicon cells present low conversion efficiency of the light irradiation energy into electric energy, mainly due to the spectral mismatch between the regions of maximum solar emission (visible spectrum) and of maximum PV cell efficiency, which is in infrared region. To minimize such losses and, consequently, improve the efficiency of PV cell, down-converters with rare-earth ions in their structure are used to convert the high energy photons (at the visible - Vis) into low energy photons (at the infrared - IR). Meanwhile, in the present work we study the spectroscopic properties of neodymium (Nd3+) and ytterbium (Yb3+) ions incorporated as dopants in a tellurite-tungsten (TW) glass matrix. The characterization of the samples were obtained from measurements of X-ray diffraction, mass density, Fourier transform infrared spectroscopy, Raman spectroscopy, optical absorption, luminescence, excitation, temporal evolution of the luminescence and thermal lens. This study was divided into two stages. Primarily, Nd3+-doped TW glasses were prepared in different atmospheres, i.e., an ambient atmosphere and... (Complete abstract click electronic access below) / Resumo: A busca por novas fontes renováveis de energia tem se tornado de grande apelo devido à necessidade de se reduzir os impactos ambientais. Esse interesse tem motivado a pesquisa e o desenvolvimento de células fotovoltaicas (CFs) mais eficientes e baratas. Assim, a energia solar fotovoltaica tem sido uma opção para se complementar e ampliar a geração de eletricidade. Entretanto, as células de silício cristalino (Si-c) disponíveis no mercado apresentam baixa eficiência de conversão da radiação luminosa em energia elétrica devida, principalmente, às perdas por incompatibilidade espectral entre as regiões de máxima emissão solar (região do visível - Vis) e de máxima eficiência fotovoltaica da célula de Si-c (região do infravermelho - IV). Para minimizar essas perdas e, consequentemente, melhorar a eficiência da CF, conversores descendentes de energia compostos por íons terras-raras são usados na conversão de fótons de alta energia (Vis) em fótons de menor energia (IV). Nesse ínterim, no presente trabalho foram estudadas as propriedades espectroscópicas dos íons neodímio (Nd3+) e itérbio (Yb3+) incorporados, como dopantes, no vidro telurito-tungstênio (TW). Tais propriedades foram obtidas a partir de medidas de difração de raios-X, densidade de massa, espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier, Raman, absorção óptica, luminescência, excitação, evolução temporal da luminescência e lente térmica. Este estudo foi dividido em duas etapas. Primeiramente, vidros TW dopado... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Doutor

Neste trabalho são apresentados estudos de produção e caracterização de amostras vítreas de TeO2-PbO-GeO2 dopadas com íons de érbio, túlio e itérbio preparadas com diferentes nanopartículas metálicas para aplicações em dispositivos como displays coloridos. Este sistema vítreo apresenta uma larga janela de transmissão no visível e no infravermelho (350 6500 nm), alta solubilidade para os íons de terras raras, baixa energia de fônon (em torno de 700 cm-1) e considerável estabilidade química, mecânica e térmica, que são fatores indispensáveis para produção de displays ou dispositivos utilizados para iluminação. Este trabalho pode ser dividido em três partes, sendo iniciado com o estudo da fotoluminescência de vidros de telureto com dopante érbio, seguido do estudo da codopagem com érbio e itérbio. Na segunda parte é estudada a interferência das nanopartículas metálicas na luminescência das amostras codopadas com érbio e itérbio e, finalmente, na terceira parte, são estudadas amostras tridopadas com érbio, túlio e itérbio com e sem nanopartículas metálicas. Através das medidas de absorção óptica e medidas de emissão, foi observada a incorporação dos íons de terras raras na forma trivalente e por meio das medidas de microscopia eletrônica de transmissão de elétrons foi analisada a nucleação das nanopartículas metálicas. Dentre as amostras codopadas, produzidas com diferentes nanopartículas metálicas, destaca-se a amostra com nucleação de prata para a qual foi observado aumento da luminescência de conversão ascendente do érbio de aproximadamente 50%. As amostras tridopadas mostraram-se promissoras para aplicações com displays coloridos. / This works presents studies of the production and the characterization of TeO2 -PbO-GeO2 doped with erbium, thulium and ytterbium ions and also prepared with different metallic nanoparticles for applications in displays. This glass system presents a broad transmission window in the visible and infrared (350 - 6500 nm), high solubility for rare earth ions, low phonon energy (about 700 cm-1) and considerable chemical, mechanical and thermal, stabilities which are important factors for the production of displays or devices used for illumination. This work can be divided in three parts, and starts with the study of the photoluminescence of teluritte glasses doped with erbium followed by the study of erbium and ytterbium codoped glasses. The second part presents the influence of metallic nanoparticles on the luminescence of samples codoped with erbium and ytterbium and, finally, in the third part, the study of samples doped with erbium, thulium and ytterbium with and without metallic nanoparticles. The incorporation of rare earth ions in the trivalent form was determined by means of optical absorption and emission measurements and, by using the transmission electron microscopy technique to the nucleation of metallic nanoparticles. Among the codoped samples, produced with different metallic nanoparticles, we remark the sample produced with silver nanoparticles that presented enhancement of erbium upconversion luminescence of approximately 50%. Samples doped with erbium, thulium and ytterbium showed possible applications for full color displays.

O trabalho em questão mostra a possibilidade de produção de guias de onda por meio de filme finos de GeO2-PbO codopados com Tm3+/Yb3+, com e sem nanopartículas (NPs) de ouro, a partir da técnica de RF Magnetron Sputtering. Foram usados nos processos de fabricação dos guias de onda do tipo RIB e PEDESTAL, as mesmas técnicas empregadas na fabricação de dispositivos de microeletrônica, tais como, litografia e corrosão por plasma. A influência dos parâmetros dos processos de produção é reportada e a caracterização dos guias foi realizada por diversas técnicas. Dentre elas, destacamos a microscopia eletrônica de varredura (MEV) para a observação do perfil dos guias, as rugosidades de superfície e as espessuras das camadas utilizadas para a confecção dos mesmos. Medidas de transmitância óptica realizadas nos filmes permitiram a determinação do coeficiente de absorção óptica e do índice de refração, de aproximadamente 2,0, além da confirmação das espessuras dos filmes obtidos por Sputtering. Guias do tipo RIB foram descartados por dificuldades enfrentadas durante o processo de fabricação. Medidas ópticas de perdas por propagação, realizadas em guias do tipo PEDESTAL, mostraram que os melhores guias produzidos apresentaram perdas em torno de 5 dB/cm em 633 e 1050 nm, e medidas de perfil de campo próximo, além da simulação dos modos propagados, o comportamento de guiamento multímodo. Ganho óptico em torno de 13,5 dB/cm (em 805 nm) foi obtido em guia com largura de 30 ?m e potência de bombeio estimada de ~75 mW. Guias contendo NPs de ouro foram produzidos por meio de metodologia adequada que permitiu a nucleação das NPs (tamanho médio de 20 nm) e um ganho 22 dB/cm em 805 nm, portanto, duas vezes superior ao mesmo guia sem NPs (30 ?m de largura). Os resultados apresentados demonstram que guias de onda GeO2-PbO codopados com Tm3+/Yb3+, com ou sem NPs metálicas, são promissores para aplicações em dispositivos fotônicos, com a criação de dispositivos amplificadores integrados para operação na 1° janela de telecomunicações. / The work in question shows the possibility of producing waveguides by means of Tm3+/Yb3+ codoped GeO2-PbO thin films, with or without gold nanoparticles (NPs), by using the RF Magnetron Sputtering technique. For the production of RIB and PEDESTAL type waveguides, the techniques employed in the manufacture of microelectronics devices, such as plasma etching and lithography, were employed. The influences of the production process parameters are reported and the waveguides characterization was performed by several techniques. Among them, we highlight the scanning electron microscopy (SEM), which was used to observe the profile of the waveguides, the surface roughness and thickness of the layers used for their production. Measurements of thin films optical transmittance allowed the determination of the optical absorption coefficient and refractive index of approximately 2.0, and also the confirmation of the thin films thicknesses obtained by Sputtering. RIB type waveguides were discarded due to the difficulties during the manufacturing process. Optical measurements of propagation losses, held in the PEDESTAL type guides, showed losses around 5 dB/cm at 633 and 1050 nm, for the best waveguides produced, and near-field profile measurements in addition to the simulation of the propagating modes, showed multimode coupling behavior. Optical internal gain around 13.5 dB/cm (at 805 nm) was obtained in waveguide with 30 µm width at ~75 mW estimated power pumping. Waveguide containing gold NPs were produced using adequate methodology that allowed the NPs nucleation (average size of 20 nm) and 22 dB/cm gain at 805 nm, therefore, twice higher than the value obtained for the same waveguide without NPs (30 ?m width). These results show that Tm3+/Yb3+ codoped GeO2-PbO waveguides, with or without metallic NPs, are promising for applications in photonic devices, with the creation of integrated amplifiers devices for operation in the first telecommunications window.

Neste trabalho são apresentadas a preparação, a metodologia adotada para a nucleação de nanopartículas (NPs) de prata e a investigação das propriedades luminescentes do sistema vítreo GeO2-PbO dopado com íons de túlio e codopado com íons de túlio e itérbio, na presença de NPs de prata, visando aplicação em dispositivos fotônicos. Este sistema vítreo apresenta uma larga janela de transmissão (400 4500 nm) quando comparado aos silicatos, boratos e fosfatos, alto índice de refração (2,0), baixas energia de fônon (700 cm-1), alta resistência mecânica e durabilidade química. Com a finalidade de se obter maior controle sobre o processo de nucleação das NPs, realizaram-se tratamentos térmicos de várias formas, variando-se principalmente as grandezas tempo e temperatura. A partir da Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET), a presença das NPs no material vítreo pôde ser confirmada, e pelas análises de Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS Energy Dispersive Spectroscopy), determinamos que as NPs possuem em sua composição prata, podendo elas serem puramente metálicas, e em alguns casos, compostas de prata e elementos da matriz. As medidas de absorção evidenciaram a incorporação dos íons Tm3+ e Yb3+ na forma trivalente, e a presença das bandas de absorção associadas à Ressonância dos Plasmons Superficiais (RPS) da prata, localizadas no intervalo de 420 a 550 nm. Foram medidas as bandas associadas à conversão ascendente (CA) do Tm3+ em 480, 650 e 800 nm, devidas às transições 1G4 3H6, 1G4 3F4, 3H4 3H6, respectivamente. Nas amostras contendo NPs de prata, tratadas a 420 °C, não foi observada a banda de RPS da prata. Entretanto, um aumento na luminescência foi verificado, assim como a presença das NPs por MET. No caso das amostras tratadas por intervalos de tempo contínuos e não-contínuos, observamos a tendência de formação de NPs menores, maiores e agregados, e maior tendência de aumento da luminescência para o segundo caso; no caso da variação da temperatura, observamos a formação da banda de RPS da prata para tratamentos superiores a 500 °C realizados em curto intervalo de tempo, e um aumento considerável da luminescência. As variações no processo de nucleação das NPs foram relacionadas às formas de tratamento adotadas. O estudo da variação da intensidade de luminescência em função da potência do laser de excitação mostrou que as NPs não interferem nos processos de CA dos íons Tm3+. Desta forma, o aumento da luminescência foi atribuído ao aumento do campo local nas proximidades dos íons de terras-raras (TRs). Portanto, o desenvolvimento de um método adequado de tratamento térmico desempenha um papel fundamental no processo de nucleação das NPs, e pode permitir um aumento considerável da luminescência proveniente dos íons de TRs, e conferir novas propriedades aos materiais e aplicações em dispositivos fotônicos. / This work presents the preparation and the methodology used for the nucleation of silver nanoparticles (NPs), and the investigation of the luminescent properties of PbO-GeO2 glass system doped with thulium ions and codoped with thulium and ytterbium ions, in the presence of NPs silver, for application in photonic devices. This glass system presents a large transmission window (400 4500 nm) when compared to silicates, borates and phosphates, high refractive index (2.0), low phonon energy (700 cm-1), high mechanical strength and chemical durability. In order to obtain greater control over the process of nucleation of NPs, different processes were used for the heat-treatment, varying mainly the time and the temperature. From the transmission electron microscopy (TEM), the presence of NPs in the glassy material could be confirmed, and from Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) analysis, it was determined that the NPs have silver in their composition. The NPs may be purely metallic and, in some cases, composed by silver and elements of the matrix glass. Optical Absorption measurements showed the incorporation of Tm3+ and Yb3+ ions in the trivalent form, and the presence of absorption bands related to the Surface Plasmon Resonance (SPR) of silver, located in the range of 420 to 550 nm. Bands associated to Tm3+ upconversion (UPC) frequency centered around 480, 650 and 800 nm were observed due to transitions 1G4 3H6, 1G4 3F4, 3H4 3H6, respectively. The SPR of silver NPs were not observed for the samples heat-treated at 420 °C, which contained silver NPs in their composition. However, an increase in the luminescence was observed and the presence of NPs was confirmed by TEM analyses. For the samples heat-treated by continuous and non-continuous time intervals, we observed the tendency of the formation of smaller, larger and aggregated NPs, and a higher tendency of enhancement of the luminescence for the second case. For the samples heat-treated at different temperatures in short time interval, we observed the formation of the SPR band for temperatures higher than 500 °C, and a considerable increase in the luminescence. Variations in the process of NPs nucleation were related to the different heat-treatments adopted. The study of the luminescence intensity variation as function of the laser power excitation showed that the NPs do not interfere in the Tm3+ UPC luminescence processes. Thus, the enhancement in the luminescence was attributed to local field enhancement in the proximities of rare-earth ions (REIs). Therefore, the development of an appropriate method of heat-treatment plays an important role in the process of NPs nucleation, and enables a considerable increase in the luminescence from the REIs, and gives new properties to materials which are of great interest for applications in photonic devices.

A maioria dos materiais que apresentam o fenômeno da luminescência persistente possuem o íon Eu2+ como ativador, exibindo emissões sintonizáveis entre o azul e o verde. Entretanto, materiais com luminescência persistente na região do vermelho e infravermelho próximo (Near Infrared - NIR) são ainda pouco reportados na literatura. Portanto, foram preparados neste trabalho os materiais TR2O2S.Ln3+ e TR2O2S.Ln3+,Mg2+,Ti3+/IV (TR3+: La, Gd e Y; Ln3+: Eu e Yb) pelo método de síntese no estado sólido assistido por micro-ondas. Os materiais foram caracterizados pelas técnicas de Difração de raios X (DRX), Microscopia eletrônica de varredura (MEV), Espectroscopia de absorção no infravermelho (IV), Espectroscopia de absorção de raios X próximo a borda com radiação síncrotron (XANES), Termoluminescência (TL) e Espectroscopia de excitação na região do UV-UV vácuo com radiação síncrotron. Quando excitados na banda de absorção da matriz (band gap) ou por exemplo, nas bandas de transferência de carga LMCT O2-(2p) → Eu3+(4f6) e S2-(3p) → Eu3+(4f6), os materiais TR2O2S:Eu3+ e TR2O2S:Eu3+,Mg2+,Ti3+/IV apresentam um grande número de bandas de emissão finas atribuídas às transições 5D2,1,0 → 7FJ do íon Eu3+. Os dados espectroscópicos sugerem um alto grau de covalência e uma baixa energia de fônons para as matrizes TR2O2S. Além do mais, os materiais TR2O2S:Yb3+ e TR2O2S:Yb3+,Mg2+,Ti3+/IV apresentam bandas de emissão finas na faixa 900-1050 nm (NIR) atribuídas à transição 2F5/2 → 2F7/2 do íon Yb3+. Os mecanismos de luminescência persistente foram propostos para os materiais TR2O2S:Ln3+ e TR2O2S:Ln3+,Mg2+,Ti3+/IV (TR3+: La, Gd e Y; Ln3+: Eu, Yb) e podem ser via armadilhamento de buracos ou via armadilhamento de elétrons. O mecanismo via armadilhamento de buracos é relativo à excitação dos íons Eu3+ e Yb3+ e explica a existência do fenômeno da luminescência persistente nos materiais sem co-dopantes (TR2O2S:Eu3+ e TR2O2S:Yb3+). De outra forma, o mecanismo via armadilhamento de elétrons ocorre nos materiais TR2O2S:Eu3+,Mg2+,Ti3+/IV e TR2O2S:Yb3+,Mg2+,Ti3+/IV para a emissão oriunda do íon Ti3+. Nos materiais TR2O2S:Eu3+,Mg2+,Ti3+/IV observa-se o processo de transferência de energia Ti3+ → Eu3+, o que leva a uma luminescência persistente mais eficiente do íon Eu3+. Por outro lado, devido à grande diferença de energia entre os íons Ti3+ e Yb3+, o processo de transferência de energia Ti3+ → Yb3+ não acontece para os materiais TR2O2S:Yb3+,Mg2+,Ti3+/IV. Portanto, a luminescência persistente ocorre via mecanismo de armadilhamento de buracos simultaneamente ao de armadilhamento de elétrons, obtendo uma luminescência persistente com contribuição no visível oriunda do íon Ti3+ e no NIR do íon Yb3+. Os materiais apresentam um grande potencial em aplicações e inovação tecnológica na área de fotônica como sondas biológicas luminescentes e sensibilizadores de células solares. / Most of persistent luminescent materials have the Eu2+ ion as an activator, displaying tunable emission color from blue to green region. However, there is a few examples of red and near infrared (NIR) persistent luminescent materials reported in literature. In this work, the TR2O2S:Ln3+ and TR2O2S:Ln3+,Mg2+,Ti3+/IV (TR3+: La, Gd and Y; Ln3+: Eu and Yb) luminescent materials were prepared by microwave-assisted solid state synthesis. The materials were characterized with X-ray diffraction, Scanning electron microscopy, Infrared absorption spectroscopy, synchrotron radiation X-ray absorption spectroscopy near edge (XANES), Thermoluminescence (TL) and synchrotron radiation UV-VUV spectroscopy. When excited at the host absorption band (band gap) or at the ligand-to-metal-charge-transfer bands (LMCT), O2-(2p) → Eu3+(4f6) and S2-(3p)→ Eu3+(4f6), the materials TR2O2S:Eu3+ and TR2O2S:Eu3+,Mg2+,Ti3+/IV display a large number of narrow emission bands assigned to Eu3+ 5D2,1,0→7FJ transitions. Spectroscopic data indicate a high degree of covalency and low phonon energy of TR2O2S hosts. The TR2O2S:Yb3+ and TR2O2S:Yb3+,Mg2+,Ti3+/IV materials show emission bands in the range from 900 to 1050 nm (NIR) assigned to the 2F5/2→2F7/2 transitions of Yb3+ ion. The persistent luminescence mechanisms were proposed for TR2O2S:Ln3+ and TR2O2S:Ln3+,Mg2+,Ti3+/IV (TR3+: La, Gd and Y; Ln3+: Eu and Yb) materials, there are two possible ways, hole-trapping or electron-trapping mechanisms. The hole-trapping mechanism is related to the excitation of Eu3+ and Yb3+ ions and explains the persistent luminescence phenomenon in non-co-doped materials (TR2O2S:Eu3+ and TR2O2S:Yb3+). The electron-trapping mechanism governs the persistent luminescence of Ti3+ ion in TR2O2S:Eu3+,Mg2+,Ti3+/IV and TR2O2S:Yb3+,Mg2+,Ti3+/IV materials. The Ti3+ → Eu3+ energy transfer was observed in TR2O2S:Eu3+,Mg3+,Ti3+/IV materials and leads to an improvement of Eu3+ persistent luminescence. On the other hand, due to the large energy levels gap between Ti3+ and Yb3+ ions, there is no Ti3+→Yb3+ energy transfer in TR2O2S:Yb3+,Mg2+,Ti3+/IV materials. Therefore, the persistent luminescence in these materials occurs with hole-trapping and electron-trapping mechanisms simultaneously, obtaining a visible-NIR persistent luminescence composed by Ti3+ and Yb3+ emissions, respectively. The materials exhibit great potential in biological and technological innovation in photonic areas such as luminescent probes and solar cell sensitizers

A maioria dos materiais que apresentam o fenômeno da luminescência persistente possuem o íon Eu2+ como ativador, exibindo emissões sintonizáveis entre o azul e o verde. Entretanto, materiais com luminescência persistente na região do vermelho e infravermelho próximo (Near Infrared - NIR) são ainda pouco reportados na literatura. Portanto, foram preparados neste trabalho os materiais TR2O2S.Ln3+ e TR2O2S.Ln3+,Mg2+,Ti3+/IV (TR3+: La, Gd e Y; Ln3+: Eu e Yb) pelo método de síntese no estado sólido assistido por micro-ondas. Os materiais foram caracterizados pelas técnicas de Difração de raios X (DRX), Microscopia eletrônica de varredura (MEV), Espectroscopia de absorção no infravermelho (IV), Espectroscopia de absorção de raios X próximo a borda com radiação síncrotron (XANES), Termoluminescência (TL) e Espectroscopia de excitação na região do UV-UV vácuo com radiação síncrotron. Quando excitados na banda de absorção da matriz (band gap) ou por exemplo, nas bandas de transferência de carga LMCT O2-(2p) → Eu3+(4f6) e S2-(3p) → Eu3+(4f6), os materiais TR2O2S:Eu3+ e TR2O2S:Eu3+,Mg2+,Ti3+/IV apresentam um grande número de bandas de emissão finas atribuídas às transições 5D2,1,0 → 7FJ do íon Eu3+. Os dados espectroscópicos sugerem um alto grau de covalência e uma baixa energia de fônons para as matrizes TR2O2S. Além do mais, os materiais TR2O2S:Yb3+ e TR2O2S:Yb3+,Mg2+,Ti3+/IV apresentam bandas de emissão finas na faixa 900-1050 nm (NIR) atribuídas à transição 2F5/2 → 2F7/2 do íon Yb3+. Os mecanismos de luminescência persistente foram propostos para os materiais TR2O2S:Ln3+ e TR2O2S:Ln3+,Mg2+,Ti3+/IV (TR3+: La, Gd e Y; Ln3+: Eu, Yb) e podem ser via armadilhamento de buracos ou via armadilhamento de elétrons. O mecanismo via armadilhamento de buracos é relativo à excitação dos íons Eu3+ e Yb3+ e explica a existência do fenômeno da luminescência persistente nos materiais sem co-dopantes (TR2O2S:Eu3+ e TR2O2S:Yb3+). De outra forma, o mecanismo via armadilhamento de elétrons ocorre nos materiais TR2O2S:Eu3+,Mg2+,Ti3+/IV e TR2O2S:Yb3+,Mg2+,Ti3+/IV para a emissão oriunda do íon Ti3+. Nos materiais TR2O2S:Eu3+,Mg2+,Ti3+/IV observa-se o processo de transferência de energia Ti3+ → Eu3+, o que leva a uma luminescência persistente mais eficiente do íon Eu3+. Por outro lado, devido à grande diferença de energia entre os íons Ti3+ e Yb3+, o processo de transferência de energia Ti3+ → Yb3+ não acontece para os materiais TR2O2S:Yb3+,Mg2+,Ti3+/IV. Portanto, a luminescência persistente ocorre via mecanismo de armadilhamento de buracos simultaneamente ao de armadilhamento de elétrons, obtendo uma luminescência persistente com contribuição no visível oriunda do íon Ti3+ e no NIR do íon Yb3+. Os materiais apresentam um grande potencial em aplicações e inovação tecnológica na área de fotônica como sondas biológicas luminescentes e sensibilizadores de células solares. / Most of persistent luminescent materials have the Eu2+ ion as an activator, displaying tunable emission color from blue to green region. However, there is a few examples of red and near infrared (NIR) persistent luminescent materials reported in literature. In this work, the TR2O2S:Ln3+ and TR2O2S:Ln3+,Mg2+,Ti3+/IV (TR3+: La, Gd and Y; Ln3+: Eu and Yb) luminescent materials were prepared by microwave-assisted solid state synthesis. The materials were characterized with X-ray diffraction, Scanning electron microscopy, Infrared absorption spectroscopy, synchrotron radiation X-ray absorption spectroscopy near edge (XANES), Thermoluminescence (TL) and synchrotron radiation UV-VUV spectroscopy. When excited at the host absorption band (band gap) or at the ligand-to-metal-charge-transfer bands (LMCT), O2-(2p) → Eu3+(4f6) and S2-(3p)→ Eu3+(4f6), the materials TR2O2S:Eu3+ and TR2O2S:Eu3+,Mg2+,Ti3+/IV display a large number of narrow emission bands assigned to Eu3+ 5D2,1,0→7FJ transitions. Spectroscopic data indicate a high degree of covalency and low phonon energy of TR2O2S hosts. The TR2O2S:Yb3+ and TR2O2S:Yb3+,Mg2+,Ti3+/IV materials show emission bands in the range from 900 to 1050 nm (NIR) assigned to the 2F5/2→2F7/2 transitions of Yb3+ ion. The persistent luminescence mechanisms were proposed for TR2O2S:Ln3+ and TR2O2S:Ln3+,Mg2+,Ti3+/IV (TR3+: La, Gd and Y; Ln3+: Eu and Yb) materials, there are two possible ways, hole-trapping or electron-trapping mechanisms. The hole-trapping mechanism is related to the excitation of Eu3+ and Yb3+ ions and explains the persistent luminescence phenomenon in non-co-doped materials (TR2O2S:Eu3+ and TR2O2S:Yb3+). The electron-trapping mechanism governs the persistent luminescence of Ti3+ ion in TR2O2S:Eu3+,Mg2+,Ti3+/IV and TR2O2S:Yb3+,Mg2+,Ti3+/IV materials. The Ti3+ → Eu3+ energy transfer was observed in TR2O2S:Eu3+,Mg3+,Ti3+/IV materials and leads to an improvement of Eu3+ persistent luminescence. On the other hand, due to the large energy levels gap between Ti3+ and Yb3+ ions, there is no Ti3+→Yb3+ energy transfer in TR2O2S:Yb3+,Mg2+,Ti3+/IV materials. Therefore, the persistent luminescence in these materials occurs with hole-trapping and electron-trapping mechanisms simultaneously, obtaining a visible-NIR persistent luminescence composed by Ti3+ and Yb3+ emissions, respectively. The materials exhibit great potential in biological and technological innovation in photonic areas such as luminescent probes and solar cell sensitizers

In this work, we investigated the spectroscopic characteristics of Nd3+ and Yb3+ doped/co-doped materials for potential applications in photonic devices, particularly lasers emitting in the IR and visible (blue) and thermal sensing operating in the first and second biological windows. For such purposes, we used the fluorescence spectroscopy technique in steady state and time resolved. Initially we investigated the spectroscopic characteristics of the Yb3+ doped oxyfluoride glass, analyzing three important effects present in Yb3+ doped systems: Radiation Trapping (RT), Self-Quenching (SQ), and Cooperative Luminescence (CL). We show that the effects of RT and SQ affect substantially the line shape of Yb3+ emission spectrum, thereby inducing miscalculations of the emission cross section, overestimation of the laser level lifetime, as well as errors in non-radiative decay rates. On the other hand, we show that the strong presence of RT favors the CL effect between Yb3+ ions, which configures an advantageous feature for the generation of blue light via CL. In the thermal sensing context, we carried out a study on application of Nd3+ single doped materials for optical temperature sensors based on Fluorescence Intensity Ratio (FIR) using the 4F3/2, 4F5/2 and 4F7/2 Nd3+ energy levels, more precisely, Nd3+ doped Q-98 phosphate glass, where we showed that the investigated phosphate glass present good perspectives for applications in optical thermometer, being its thermal sensitivity and the maximum thermal range, strongly dependent on the considered energy levels. Following the studies on thermal sensing, we investigated the effects of structure core and core@shell of lanthanum fluoride nanocrystals (LaF3) doped/co-doped with Nd3+ and Yb3+ for temperature sensor based on energy transfer (ET). For this, LaF3 nanocrystals in structural configurations LaF3:Nd (only core), LaF3:Nd/Yb (only core), LaF3 :Nd@LaF3:Yb (Nd3+ in core and Yb3+ in shell), and LaF3:Yb@LaF3:Nd (Yb3+ in core and Nd3+ in shell) were synthesized. We evaluated the FIR of the emission from Yb3+ (2F5/2→2F7/2 at ~990 nm) and Nd3+ (4F3/2→4I13/2 at ~1060 nm) against the temperature and we concluded that their sensitivities are strongly dependent on the structural configurations, i.e., we get control the ET processes and their temperature dependence. In addition, we show that FIR, using 990 and 1330 nm emissions present thermal sensitivity at least one order of magnitude greater that the other FIR’s. / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Neste trabalho investigamos as características espectroscópicas de materiais dopados/co-dopados com os íons terras-raras Nd3+ e Yb3+ para potenciais aplicações em dispositivos fotônicos, particularmente lasers emissores no infravermelho e visível (azul) e sensoriamento térmico operando na primeira e segunda janelas biológicas. Para tais propósitos, usamos a técnica de espectroscopia de fluorescência no estado estacionário e resolvida no tempo. Inicialmente investigamos as características espectroscópicas do vidro oxifluoreto dopado com Yb3+, analisando três importantes efeitos presentes em sistemas dopados com Yb3+: Radiation Trapping (RT), Self- Quenching (SQ) e Luminescência Cooperativa (LC). Mostramos que os efeitos de RT e SQ afetam de forma substancial a forma de linha do espectro de emissão do Yb3+, induzindo, assim, cálculos errôneos na seção de choque de emissão, superestimação do valor do tempo de vida do nível laser emissor, bem como erros nas taxas de decaimentos não-radiativos. Por outro lado, mostramos que a forte presença dos efeitos de RT observados favorece o processo de LC entre íons Yb3+, o que de certa forma constitui uma característica vantajosa para a geração de luz azul via processo de LC do Yb-Yb. Já no âmbito de sensoriamento térmico, realizamos um estudo sobre a aplicação de materiais mono-dopados com Nd3+ em sensores ópticos de temperatura baseados na Razão de Intensidade de Fluorescência (RIF) dos níveis de energia 4F3/2, 4F5/2 e 4F7/2 do Nd3+, mais precisamente, vidro fosfato Q-98 dopado com Nd3+, onde mostramos que o vidro fosfato investigado apresenta boas perspectivas para aplicações em termômetro óptico, sendo sua sensibilidade térmica, bem como o intervalo de temperatura de máxima sensibilidade, fortemente dependente dos níveis de energia considerados. Continuando os estudos sobre sensoriamento térmico, investigamos os efeitos da estrutura core e core@shell de nanocristais de fluoreto de lantânio (LaF3) dopados/co-dopados com Nd3+ e Yb3+ para sensor térmico por Transferência de Energia (TE). Para tanto, nanocristais de LaF3 nas configurações estruturais de LaF3: Nd (somente core), no LaF3: Nd/Yb (somente core), LaF3: Nd@LaF3: Yb (com Nd3+ no core e Yb3+ no shell) e LaF:Yb@LaF3:Nd (com Yb3+ no core e Nd3+ no shell) foram sintetizados. Nós avaliamos as RIF das emissões do Yb3+ (2F5/2 → 2F7/2 em ~990 nm) e do Nd3+ (4F3/2→4I13/2 em ~1060 nm) com a temperatura e concluímos que suas sensibilidades são fortemente dependentes das configurações estruturais, ou seja, conseguimos controlar os processos de TE e a dependência destes com a temperatura. Adicionalmente, mostramos que o sensor de RIF, usando as emissões em 990 nm e 1330 nm, apresenta uma sensibilidade térmica de pelo menos uma ordem de grandeza maior que os demais RIF’s.

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