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A luminescência persistente é um fenômeno em que o material emite radiação de segundos a várias horas após cessada a irradiação (luz, radiação UV, feixe de elétrons, etc.). No entanto, os mecanismos que geram o fenômeno da luminescência persistente ainda não são totalmente estabelecidos. Neste trabalho os materiais Lu2O3:TR3+,M (TR,M: Pr,HfIV; Eu, Ca2+ ou Tb,Ca2+) foram preparados pelo método de estado-sólido assistido por micro-ondas (MASS) e comparados com aqueles sintetizados pelo método cerâmico. As vantagens do método MASS incluem curto tempo de processamento, aquecimento dielétrico seletivo, baixo consumo de energia e uso de equipamentos de baixo custo (forno micro-ondas doméstico), muitas vezes produzindo produtos de alta pureza e alto rendimento. Os materiais foram caracterizados pelas técnicas de espectroscopia de absorção na região do infravermelho (IR), espectroscopia Raman, difração de raios X método do pó (DRX), microscopia eletrônica de varredura (MEV), X-ray absorption near edge structure (XANES), Extended X-ray absorption fine structure (EXAFS), X-ray Excited Optical Luminescence (XEOL), espectroscopia de fotoluminescência na região do UV-Visível, espectroscopia de fotoluminescência na região do UV-UV vácuo e termoluminescência (TL). Os fósforos Lu2O3:TR3+,M (TR,M: Pr,HfIV; Eu, Ca2+ ou Tb,Ca2+) foram preparados em um curto período de tempo (22-26 min) pelo método MASS utilizando forno micro-ondas doméstico, carvão ativado como susceptor, fluxos (H3BO3 ou Na2CO3) e sem a aplicação de gases. Todos materiais preparados com fluxo de H3BO3 exibem impurezas de LuBO3 que foram quantificadas por refinamento Rietveld. Os fluxos e os dopantes não alteraram consideravelmente a estrutura cristalina da matriz C-Lu2O3. As micrografias MEV sugerem que o fluxo de Na2CO3 e os precursores nitratos geram partículas de Lu2O3 com tamanho menor devido a evolução de gases provenientes da decomposição destes compostos. Por outro lado, quando é usado óxidos como precursores os materiais apresentam maiores tamanhos de partícula e na presença de H3BO3 leva a maior agregação. Os dados de XANES indicam que houve completa redução do íon TbIV &#8594 Tb3+ e parcial do PrIV &#8594 Pr3+, devido ao uso de carvão ativado que gera CO(g) durante o tratamento térmico. Os espectros da luminescência persistente indicam emissões nas regiões do vermelho/NIR, vermelho alaranjado e verde atribuídas as transições 4fN &#8594 4fN características dos íons Pr3+, Eu3+ e Tb3+, respectivamente. As diferenças entre os espectros registrados sob excitação UV e após cessada a irradiação podem ser explicadas pela emissão da luminescência persistente predominante dos íons TR3+ no sítio S6 do que no C2. Além disso, a co-dopagem aliovalente com os íons HfIV e Ca2+ aumentam a intensidade e duração da luminescência persistente. Isto ocorre através da geração de armadilhas provenientes dos dois co-dopantes nos sítios de Lu3+ e por defeitos produzidos na compensação de carga. Os materiais fotônicos preparados pelo método MASS com fluxo de H3BO3 apresentam maior intensidade e duração da luminescência persistente comparados aos preparados pelo método cerâmico ou sem a presença de H3BO3. Os mecanismos da luminescência persistente foram desenvolvidos através de princípios similares baseados nos dados experimentais da energia do band gap, posição dos níveis de energia dos íons TR3+/2+ na matriz e energia das armadilhas. Isto confirma a solidez da interpretação dos dados experimentais dos materiais Lu2O3:TR3+,M exibindo luminescência persistentes e encoraja a expansão de modelos similares para outros materiais apresentando esse fenômeno. Os fósforos Lu2O3:Pr3+,HfIV,Lu2O3:Eu3+(,Ca2+) e Lu2O3:Tb3+,Ca2+) apresentaram sintonização de cores de emissão tanto para o fenômeno da fotoluminescência como da luminescência persistente, podendo atuar como bons candidatos nas aplicações de bioimageamento ou sensibilizadores de células solares. / Persistent luminescence is a phenomenon where the material emits radiation from seconds to several hours after cessation of irradiation (light, UV radiation, electron beam, etc.). The persistent luminescence mechanisms are not entirely established, however. In this work, the materials Lu2O3:TR3+,M (TR,M: PrHfIV; Eu, Ca2+ or Tb,Ca2+) were prepared by MASS method as well as compared to these materials synthetized by ceramic method. The advantages of MASS method include short processing time, selective dielectric heating, low energy consumption and use of inexpensive equipment (domestic microwave oven), often affording high-purity and high-yield products. The materials were characterized by Infrared absorption spectroscopy (IR), Raman spectroscopy, X-ray powder diffraction (XPD), Scanning electron microscopy (SEM), X-ray absorption near edge structure (XANES), Extended X-ray absorption fine structure (EXAFS), X-ray excited optical luminescence (XEOL), photoluminescence spectroscopy in the UV-Visible range, photoluminescence spectroscopy in the UV-UV vacuum region and thermoluminescence (TL). The phosphorsLu2O3:TR3+,M (TR,M: Pr,HfIV; Eu, Ca2+ or Tb,Ca2+) were rapidly (22-26 min) and successfully prepared by MASS method using a domestic microwave oven, carbon as susceptor, fluxes (H3BO3 or Na2CO3) and without special gases application. All materials prepared with H3BO3 flux exhibit LuBO3 impurities that were quantified by Rietveld refinement. The flux and dopants does not considerably affect the crystalline structure of the C-Lu2O3 host matrix. Scanning electron micrographs suggest that Na2CO3 flux and nitrates precursors produce Lu2O3 particles of small size due to the gases evolution from the decomposition of these compounds. On the other hand, the materials prepared from oxides precursors have particles of large size and H3BO3 flux induces particle xi aggregation. The carbon used as the susceptor generates CO gas, leading to complete reduction of TbIV to Tb3+ and partial conversion of PrIV to Pr3+ present in the Tb4O7 and Pr6O11 precursors, as indicated by XANES. Persistent luminescence spectra of the materials show emission in the red/NIR, reddish orange and green ranges assigned to the 4fN &#8594 4fN transitions characteristics of Pr3+, Eu3+ and Tb3+ ions, respectively. Differences between the spectra recorded under UV excitation and after ceased the irradiation can be explained by the predominant persistent luminescence emission of TR3+ ion in the S6 site rather than TR3+ in the C2 site. In addition, inclusion of HfIV and Ca2+ codopants in the Lu2O3 host increases the emission intensity and duration of persistent luminescence due to generation of traps caused by charge compensation in the lattice as well as these metal ions in the Lu3+ sites. The photonic materials prepared by MASS method with H3BO3 flux show higher persistent luminescence performance than those prepared by the ceramic method or MASS without flux. The persistent luminescence mechanisms were developed through similar principles based on experimental data of band gap energy, energy level positions of TR3+/2+ ions in the host and traps energy. This similarity confirms the consistency of the interpretation of experimental data for the Lu2O3:TR3+,M materials and encourages the expansion of similar models for other persistent luminescence materials. Color tuning of persistent luminescence in Lu2O3:TR3+,M (TR,M: Pr,HfIV; Eu,Ca2+ or Tb,Ca2+) provides potential applications in bioimaging as well as in solar cell sensitizers.

Foram sintetizados, purificados e caracterizados os peróxidos cíclicos: peróxido de difenoíla (1), dimetil-1,2-dioxetanona (2), e spiro-adamantil α-peróxi lactona (3), e determinados seus parâmetros de quimiluminescência. Foram redeterminados os rendimentos quânticos singlete na decomposição catalisada de 1 e 2 em condições análogas as utilizadas anteriormente na literatura, obtendo-se valores várias ordens de grandeza menores que os inicialmente relatados para estes sistemas padrão para a formulação do mecanismo Luminescência Iniciada Quimicamente por Troca de Elétron (Chemically Initiated Electron Exchange Luminescence - CIEEL). O efeito de gaiola de solvente, utilizando-se o sistema binário tolueno/difenilmetano, sobre o rendimento quântico na decomposição de 1 catalisada por rubreno, mostrou-se consideravelmente menor para este sistema intermolecular do que o observado no sistema intramolecular da decomposição induzida de 1,2-dioxetanos fenóxi-substituidos. Foram determinados pela primeira vez os parâmetros de quimiluminescência na decomposição unimolecular e catalisada da spiro-adamantil α-peróxi lactona (3), mostrando que esta é a α-peróxi lactona mais estável sintetizada e estudada até o momento. Este peróxido é sujeito à decomposição catalisada por ativadores adequados, envolvendo transferência de elétron, porém, com eficiência baixa devido a um impedimento estérico exercido pelo substituinte spiro-adamantila sobre a interação do peróxido com o ativador. O rendimento quântico singlete máximo obtido na decomposição catalisada de 3 é de 1%, valor consideravelmente menor que os determinados para sistemas intramoleculares. A decomposição dos peróxidos cíclicos 1 a 3 é catalisada por fenolatos como ativadores, porém, os rendimentos singlete obtidos nesta reação são baixos, entre 10-3 e 10-7 E mol-1. Os resultados obtidos com este sistema modelo intermolecular para a decomposição induzida por transferência intramolecular de elétron de 1,2-dioxetanos fenóxi-substituidos, demonstram claramente que esta última transformação quimiluminescente de alta eficiência deve ocorrer por uma retro-transferência de elétron intramolecular e não intermolecular como proposto na literatura, e como é necessariamente o caso no sistema modelo estudado no presente trabalho. / The cyclic peroxides diphenoyl peroxide (1), dimethyl-1,2-dioxetanone (2) and spiro-adamantyl α-peroxy lactone (3) were synthesized, purified and characterized, as well as its chemiluminescence parameters determined. The singlet quantum yields in the catalyzed decomposition of 1 and 2 were re-determined in experimental conditions equivalent to those formerly utilized in the literature, obtaining values various orders of magnitude lower than the ones initially reported for these model systems for the formulation of the Chemically Initiated Electron Exchange Luminescence\" (CIEEL) mechanism. The solvent-cage effect on the singlet quantum yields in the rubrene catalyzed decomposition of 1, using the binary system toluene / diphenylmethane, showed to be considerably lower for this intermolecular system than the one observed in the intramolecular system of the induced phenoxy-substituted 1,2-dioxetane decomposition. The chemiluminescence parameters in the unimolecular and catalyzed spiro-adamantyl α-peroxylactone (3) decomposition were determined for the first time, showing that 3 is the most stable α-peroxylactone synthesized and studied up to now. This peroxide is subject to catalyzed decomposition by appropriate activators involving electron transfer, however, with low efficiency due to the steric effect of the spiro-adamantyl substituents on the interaction of the peroxide with the activator. The maximum singlet quantum yield obtained in the catalyzed decomposition of 3 is 1 %, a value considerably lower than those determined for intramolecular systems. The decomposition of the cyclic peroxides 1 to 3 is catalyzed by fenolato ions as activators, thus the singlet quantum yields measured for this reaction are low, between 10-3 e 10-7 E mol-1. The results obtained for this intermolecular model system for the induced phenoxy-substituted 1,2-dioxetane decomposition demonstrate clearly that the latter highly efficient chemiluminescent transformation should occur by an intramolecular back-electron transfer and not by an intermolecular one as proposed in the literature, and as is necessarily the case in the model system studied in this work.

Os materiais luminescentes convencionais produzidos industrialmente e aplicados em dispositivos fotônicos são baseados em matrizes inorgânicas contendo íons terras raras (TR). Entretanto, devido à grande flutuação de preço nas matérias primas de óxido de terras raras, se torna necessário a busca por materiais alternativos. Dessa forma, materiais luminescentes baseado em matrizes inorgânicas dopadas com íons Tin+ foram preparadas. Os materiais luminescentes de ZrO2 não dopado e dopado com íons Tin+ e TR3+ foram preparados pelo método sol-gel com diferentes razões W = [H2 O]/[TBZ] (TBZ: butóxido de zircônio) e calcinado a diferentes temperaturas (500, 600, 800 e 1000 °C). Além disso, o método de aquecimento dielétrico assistido por radiação micro-ondas foi utilizado para preparar a série de oxissulfetos de terras raras (TR2O2S; TR: La, Gd e Y) e Lu2O3 dopados com íons Ti e Mg, bem como o material Y3Al5O12 dopado com íons Ce3+. Os materiais foram caracterizados estruturalmente pela técnica de difração de raios X pelo método do pó, seguida do refinamento pelo método de Rietveld para extração dos parâmetros estruturais. Diferentes composições de fase tetragonal (t-) e monoclínica (m-) de ZrO2 foram obtidas com a variação dos parâmetros de síntese. Os resultados indicaram que a fase cristalina influencia diretamente nas propriedades ópticas dos materiais. As fases tetragonal e monoclínica da matriz de ZrO2, exibem cores de emissão azul e verde, respectivamente. Os dados de microscopia eletrônica de transmissão foram utilizados para caracterizar os nanocristais que possuem tamanho de partícula média de 50 nm. Os estados de valência dos íons TR dopados nos materiais de ZrO2 foram analisados utilizando a técnica de XANES, enquanto que a valência do íon Ti foi sondada pela técnica de EPR. A espectroscopia XANES por radiação Síncrotron foi utilizada para estudar a variação de valência dos íons Pr e Tb dopados na matriz de ZrO2 quando co-dopadas com íons Gd3+ que favorecem a formação de vacâncias de óxido, que possibilitam a redução TRIV → TR3+. Os materiais de ZrO2 foram estudados espectroscopicamente com a finalidade de inferir que a luminescência da matriz é oriunda de íons Ti3+ presentes como impurezas na rede cristalina. Todos os materiais dopados com íons Ti apresentaram bandas de emissão largas e intensas de cores sintonizáveis desde o azul até vermelho, devido aos diferentes deslocamento das bandas relacionadas aos níveis 3d1 do íon Ti3+ em diferentes ambientes químicos. Os íons S2- promovem um deslocamento das bandas de emissão para região do vermelho. Também foi investigado o fenômeno da luminescência persistente dos materiais dopados com íons Ti e estudado a influência da co-dopagem de íons geradores de vacâncias de óxido na duração da luminescência persistente. Os dados permitiram o desenvolvimento de mecanismos da luminescência persistente em função das matrizes e íons dopantes. Também, o fósforo Y3Al5O12:Ce3+ foi montado a base de um polímero óptico de silicone e utilizando um LED de GaN de alta potência. O dispositivo de iluminação de estado sólido gera luz branca de alta intensidade com rendimentos quânticos (Φ) da ordem de 80%. Por fim, os processos fotoluminescentes do íon Tin+ e Ce3+ dopado em diferentes matrizes proporcionaram a ampliação da gama de materiais inorgânicos para conversão de energia, que contribui para a pesquisa em materiais economicamente viáveis e sustentáveis. / The most commercially available luminescent materials to be applied in devices are based on inorganic matrices containing rare earth ions (RE). However, due to the large price fluctuation of rare earth oxides, it is necessary to search for new alternative materials. Therefore, luminescent materials based on inorganic matrices doped with titanium ions were prepared. The undoped and Ti and RE3+ doped ZrO2 materials were prepared by sol-gel method and calcined at different temperatures (500, 600, 800 and 1000 °C). Besides, the dielectric heating method assisted by microwave radiation was used to prepare the rare earth series of oxysulfides (TR2O2S; RT: La, Gd and Y) and Lu2O3 doped with Ti and Mg ions, as well as the Ce3+ doped Y3Al5O12 phosphors. The materials were structurally characterized by X-ray powder diffraction technique along with the Rietveld refinement method for extracting structural parameters. It was possible to obtain different crystalline phase composition of tetragonal and monoclinic ZrO2 by varying the synthetic parameters. The experimental data show that the crystalline structure affects the photonic properties in a direct way. For example, the tetragonal and monoclinic ZrO2 phases show blue and green emission, respectively. The transmission electron microscopy indicated that the nanocrystals have 50 nm of average size. The valence states of the RE ions were analyzed using XANES technique, whereas the valence of the Ti ion was probed by the EPR technique. The Synchrotron Radiation XANES spectroscopy was used to study the valence changes of Pr and Tb doped in ZrO2 matrix when co-doped with Gd3+ ions that favors the formation of oxide vacancies, leading to the reduction REIV → RE3+. The ZrO2 materials were studied spectroscopically and it was possible to infer that the luminescence of the ZrO2 matrix is derived from Ti3+ ions present as impurities in its crystal lattice. All materials doped with Ti ions showed intense broad emission bands with tunable colors from blue to red due to different splitting of 3d1 energy levels of the Ti3+ ion in different chemical environments. The chemical environments containing S2- ions promote a redshift of the emission bands. All Ti doped materials showed the phenomenon of persistent luminescence and the role of co-dopants were investigated as well. Based on these optical results, the mechanisms of the persistent luminescence were developed. Also, the luminescent Y3Al5O12:Ce3+ material obtained by the rapid microwave proved to be suitable for mounting a solid state lighting device having quantum yields (Φ) of 80%. The device was assembled to an optical base polymer of silicone and using a high-power GaN LED, generating high intensity white light. Finally, the photoluminescent processes of the Ti and Ce3+ ions doped in different matrices provided the expansion of the range of inorganic materials for energy conversion, which can contribute to the research on more economically viable and sustainable materials.

Os materiais luminescentes convencionais produzidos industrialmente e aplicados em dispositivos fotônicos são baseados em matrizes inorgânicas contendo íons terras raras (TR). Entretanto, devido à grande flutuação de preço nas matérias primas de óxido de terras raras, se torna necessário a busca por materiais alternativos. Dessa forma, materiais luminescentes baseado em matrizes inorgânicas dopadas com íons Tin+ foram preparadas. Os materiais luminescentes de ZrO2 não dopado e dopado com íons Tin+ e TR3+ foram preparados pelo método sol-gel com diferentes razões W = [H2 O]/[TBZ] (TBZ: butóxido de zircônio) e calcinado a diferentes temperaturas (500, 600, 800 e 1000 °C). Além disso, o método de aquecimento dielétrico assistido por radiação micro-ondas foi utilizado para preparar a série de oxissulfetos de terras raras (TR2O2S; TR: La, Gd e Y) e Lu2O3 dopados com íons Ti e Mg, bem como o material Y3Al5O12 dopado com íons Ce3+. Os materiais foram caracterizados estruturalmente pela técnica de difração de raios X pelo método do pó, seguida do refinamento pelo método de Rietveld para extração dos parâmetros estruturais. Diferentes composições de fase tetragonal (t-) e monoclínica (m-) de ZrO2 foram obtidas com a variação dos parâmetros de síntese. Os resultados indicaram que a fase cristalina influencia diretamente nas propriedades ópticas dos materiais. As fases tetragonal e monoclínica da matriz de ZrO2, exibem cores de emissão azul e verde, respectivamente. Os dados de microscopia eletrônica de transmissão foram utilizados para caracterizar os nanocristais que possuem tamanho de partícula média de 50 nm. Os estados de valência dos íons TR dopados nos materiais de ZrO2 foram analisados utilizando a técnica de XANES, enquanto que a valência do íon Ti foi sondada pela técnica de EPR. A espectroscopia XANES por radiação Síncrotron foi utilizada para estudar a variação de valência dos íons Pr e Tb dopados na matriz de ZrO2 quando co-dopadas com íons Gd3+ que favorecem a formação de vacâncias de óxido, que possibilitam a redução TRIV → TR3+. Os materiais de ZrO2 foram estudados espectroscopicamente com a finalidade de inferir que a luminescência da matriz é oriunda de íons Ti3+ presentes como impurezas na rede cristalina. Todos os materiais dopados com íons Ti apresentaram bandas de emissão largas e intensas de cores sintonizáveis desde o azul até vermelho, devido aos diferentes deslocamento das bandas relacionadas aos níveis 3d1 do íon Ti3+ em diferentes ambientes químicos. Os íons S2- promovem um deslocamento das bandas de emissão para região do vermelho. Também foi investigado o fenômeno da luminescência persistente dos materiais dopados com íons Ti e estudado a influência da co-dopagem de íons geradores de vacâncias de óxido na duração da luminescência persistente. Os dados permitiram o desenvolvimento de mecanismos da luminescência persistente em função das matrizes e íons dopantes. Também, o fósforo Y3Al5O12:Ce3+ foi montado a base de um polímero óptico de silicone e utilizando um LED de GaN de alta potência. O dispositivo de iluminação de estado sólido gera luz branca de alta intensidade com rendimentos quânticos (Φ) da ordem de 80%. Por fim, os processos fotoluminescentes do íon Tin+ e Ce3+ dopado em diferentes matrizes proporcionaram a ampliação da gama de materiais inorgânicos para conversão de energia, que contribui para a pesquisa em materiais economicamente viáveis e sustentáveis. / The most commercially available luminescent materials to be applied in devices are based on inorganic matrices containing rare earth ions (RE). However, due to the large price fluctuation of rare earth oxides, it is necessary to search for new alternative materials. Therefore, luminescent materials based on inorganic matrices doped with titanium ions were prepared. The undoped and Ti and RE3+ doped ZrO2 materials were prepared by sol-gel method and calcined at different temperatures (500, 600, 800 and 1000 °C). Besides, the dielectric heating method assisted by microwave radiation was used to prepare the rare earth series of oxysulfides (TR2O2S; RT: La, Gd and Y) and Lu2O3 doped with Ti and Mg ions, as well as the Ce3+ doped Y3Al5O12 phosphors. The materials were structurally characterized by X-ray powder diffraction technique along with the Rietveld refinement method for extracting structural parameters. It was possible to obtain different crystalline phase composition of tetragonal and monoclinic ZrO2 by varying the synthetic parameters. The experimental data show that the crystalline structure affects the photonic properties in a direct way. For example, the tetragonal and monoclinic ZrO2 phases show blue and green emission, respectively. The transmission electron microscopy indicated that the nanocrystals have 50 nm of average size. The valence states of the RE ions were analyzed using XANES technique, whereas the valence of the Ti ion was probed by the EPR technique. The Synchrotron Radiation XANES spectroscopy was used to study the valence changes of Pr and Tb doped in ZrO2 matrix when co-doped with Gd3+ ions that favors the formation of oxide vacancies, leading to the reduction REIV → RE3+. The ZrO2 materials were studied spectroscopically and it was possible to infer that the luminescence of the ZrO2 matrix is derived from Ti3+ ions present as impurities in its crystal lattice. All materials doped with Ti ions showed intense broad emission bands with tunable colors from blue to red due to different splitting of 3d1 energy levels of the Ti3+ ion in different chemical environments. The chemical environments containing S2- ions promote a redshift of the emission bands. All Ti doped materials showed the phenomenon of persistent luminescence and the role of co-dopants were investigated as well. Based on these optical results, the mechanisms of the persistent luminescence were developed. Also, the luminescent Y3Al5O12:Ce3+ material obtained by the rapid microwave proved to be suitable for mounting a solid state lighting device having quantum yields (Φ) of 80%. The device was assembled to an optical base polymer of silicone and using a high-power GaN LED, generating high intensity white light. Finally, the photoluminescent processes of the Ti and Ce3+ ions doped in different matrices provided the expansion of the range of inorganic materials for energy conversion, which can contribute to the research on more economically viable and sustainable materials.

Dans ce travail, nous proposons une approche essentiellement expérimentale. Dans une première partie, nous exposons les résultats obtenus par imagerie rapide et mesures électriques corrélées dans le temps, concernant l’étude de la transition entre des électrodes de cuivre dans l’air et l’argon, et entre des électrodes de tungstène dans l’argon pour des pressions comprises entre 100 mbar et 1 bar. Dans aucun cas une transition à l’arc n’est observée sans constriction quasi-totale de la colonne positive. Dans le cas d’électrodes en tungstène dans l’argon, la vitesse d’extension de la zone filamentaire depuis l’anode vers la cathode a été vue dépendante de la pression et de l’intensité. La durée d’une transition spontanée a été linéairement corrélée à la distance inter-électrode, suggérant un mécanisme propagatif à vitesse constante dans la colonne. Plus la pression est élevée, plus la durée totale des transitions est longue ; par ailleurs, à pression constante, cette durée de transition spontanée décroît à intensité croissante, pour tendre vers une durée limite, correspondant à la durée constante de changement de structure de la zone cathodique. Dans une seconde partie, nous nous intéressons à l’échauffement de surfaces d’anodes et de cathodes en cuivre dans l’air et dans l’argon soumises à des arcs électrique pour plusieurs gammes de courant (de 30 à 120 A). Deux méthodes de mesures sont utilisées. Enfin, nous utilisons les mesures de températures de surface pour proposer deux modèles simples de bilan de puissance à la surface des électrodes (flux de chaleur). L’un considère uniquement le chauffage dû au spot d’arc et l’autre le chauffage supplémentaire de la colonne d’arc. / In this work, an approach which is essentially experimental is proposed. In the first part, results are presented which were obtained by synchronized fast camera imaging and electrical measurements. These concern the study of the transition between copper electrodes in air and in argon, and between tungsten electrodes in argon for gas pressure in the range 100 mbar – 1 bar. In no case was the transition to arc been observed without the quasi-total constriction of the positive column. Considering tungsten electrodes in argon, the propagation speed of the filamentary part of the positive column from the anode to the cathode was found to be dependent on the gas pressure and the discharge current intensity. During spontaneous transition, the transition duration has been linearly correlated to the electrode gap, suggesting a propagative mechanism with a constant speed. The higher the pressure, the longer is the total transition duration. For a constant pressure and discharge current, the duration of spontaneous transition decreases with decreasing gap distance toward a limiting value, which corresponds to the constant duration of the structural change of the cathode root from diffuse to spot. In the second part, heating of copper anodes and copper cathodes submitted to electric arcs in air and in argon and for various current intensity values (from 30A to 120 A) is considered. Two measurement methods are used. Finally, the surface temperature measurements are used to purpose two models of the electrode surface power balance (heat flux). One model only considers the heating due to the arc spot and the second one considers a supplementary heating from the arc column.

Entender os processos em superfície/interface de filmes e seus efeitos sobre as propriedades ópticas e elétricas de materiais orgânicos é de grande importância tecnológica. Esta pesquisa descreve a fabricação e caracterização de filmes poliméricos extremamente finos (espessura <10 nm) e homogêneos compostos por camadas de polímero/polieletrólitos e estruturas com modulação de energia ou poços quânticos. O objetivo principal foi o estudo dos processos de transferência de carga e energia em tais estruturas. Os polímeros luminescentes utilizados foram poli(9,9 dioctilfluoreno) (PFO) poli(p-fenileno vinileno (PPV). O PPV foi obtido a partir do precursor poli(cloreto de tetraidrotiofeno de xililideno) (PTHT). A técnica de deposição denominada deposição camada por camada assistida por spin (SA-LbL) foi utilizada para obtenção dos filmes. Medidas de absorbância confirmaram o crescimento linear das camadas para as interfaces polieletrólito/polieletrólito e polímero/polieletrólito. Com o objetivo de entender a transferência do elétron &pi; do polímero conjugado para o polieletrólito, as configurações das estruturas poliméricas foram alteradas através da deposição de diferentes monocamadas de polieletrólito sobre o filme polimérico. Observamos que os elétrons &pi; foram efetivamente transferidos para os polieletrólitos que possuem alta afinidades eletrônica. Este efeito interfere fortemente na absorção bem como nas características de condução do filme polimérico ultrafino. A absorção é restabelecida após a conversão de PTHT em PPV. Medidas de fotoluminescência (PL) em filmes PFO/PPV resultam em curvas de emissão com picos característicos de ambos os polímeros, o que confirma que a técnica SA-LbL permite a deposição de estruturas poliméricas multicamadas. As várias configurações de filmes obtidas elucidaram os processos de transferência que ocorrem em diferentes interfaces, tais como: mudança da sequencia de deposição do polieletrólito, número de camadas duplas PTHT/DBS e a introdução de camadas separadoras. Além disso, um único poço quântico, ou seja, estruturas formadas por uma camada PPV cercada por barreiras de PFO com 10 nm de espessura foram obtidas. Medidas de absorbâcia, PL e excitação mostraram uma eficiente migração estado excitado da barreira de PFO para o PPV (poço). A homogeneidade da imagem confocal, demonstrou um rigoroso controle da camada de cobertura ao nível de um única monocamada e sem contaminação pelos materiais depositados sequencialmente. A microscopia confocal de fluorescência (CFM) e espectroscopia de fluorescência resolvida no tempo (FLIM) foram utilizadas para caracterizar a dinâmica do exciton e o seu confinamento nos poços quânticos. As medidas de CFM demonstraram que excitons que são gerados na barreira de PFO são eficientemente transferidos para o PPV. Além disso, o tempo de decaimento da emissão PFO residual é fortemente reduzido devido a processos de migração concorrentes no poço. O tempo de decaimento de PPV diminui substancialmente para poços com espessuras abaixo de 5 nm como resultado da auto-aniquilação do exciton. Dessa forma, as estruturas de MQW obtidos pela técnica de SA-LbL podem ser usadas para estudar a transferência de energia, efeitos túneis e para a construção de novos dispositivos optoelectrónicos com maior eficiência. / The understanding of surface/interface processes and their effects on optical/electrical properties of organic materials is of strong technological importance. This research describes the fabrication and characterization of extremely thin (thickness <10 nm) and homogeneous multilayered polymeric structures including polymer/poly-electrolyte layers and structures with energy modulation such as quantum well. Our main purpose was the study of charge and energy transfer processes in such energy modulated structures. The luminescent polymers used were Poly(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl) (PFO) and poly(p-phenylenevinylene) (PPV). PPV has been obtained from the poly(xylyliden tetrahydrothiophenium chloride) (PTHT) precursor. The so-called Spin Self-Assembly Layer-by-Layer deposition method (SA-LbL) was utilized to obtain the films. Absorption measurements confirmed the linear growth of layers using for polyelectrolyte/polyelectrolyte and polymer/polyelectrolyte interfaces. In order to understand the &pi;-electron transfer from the conjugated polymer to charged states of the polyelectrolyte, the configurations of the polymeric structures were modified by depositing different polyelectrolyte monolayer on the polymer film. We observed that &pi;-electrons were effectively transferred to polyelectrolytes that have high electron affinities. This effect strongly affects both absorption and conduction features of such very thin polymeric film. The absorption is restored after the conversion of PTHT in PPV. Photoluminescence measurements on PFO/PPV films result in emission curves with characteristic peaks of both polymers, confirming that SA-LbL technique allows deposition of multilayer polymeric structures. The various film configurations elucidates the transfer processes occurring at different interfaces like: change of polyelectrolyte deposition order, number of PTHT/DBS bilayers and introduction of spacers. In addition, Single Quantum Well (SQW), i.e., structures consisted of PPV layer surrounded of 10 nm thick PFO barriers were obtained. Optical absorption, PL and excitation spectroscopy showed an efficient excited state migration from the PFO barrier to the PPV well. The confocal image homogeneity demonstrated the layer coverage control at a monolayer level and without layer intermixing of the sequentially deposited polymeric materials. High resolution Confocal Fluorescence Microscopy (CFM) and Fluorescence Life spectroscopy and Imaging (FLIM) were used to characterize the exciton dynamics and confinement in quantum well. The CFM measurements demonstrated that excitons generated at the PFO barrier are efficiently transferred to the PPV well. Furthermore, the decay time of the residual PFO emission is strongly reduced due to the competing migration process in the well. The decay time of PPV decreases substantially for well thicknesses below 5 nm as a result of exciton self-annihilation. Thus, the MQW structures obtained by SA-LbL technique can be used to study energy transfer, tunneling effects and to build up new optoelectronic devices with greater efficiency.

Entender os processos em superfície/interface de filmes e seus efeitos sobre as propriedades ópticas e elétricas de materiais orgânicos é de grande importância tecnológica. Esta pesquisa descreve a fabricação e caracterização de filmes poliméricos extremamente finos (espessura <10 nm) e homogêneos compostos por camadas de polímero/polieletrólitos e estruturas com modulação de energia ou poços quânticos. O objetivo principal foi o estudo dos processos de transferência de carga e energia em tais estruturas. Os polímeros luminescentes utilizados foram poli(9,9 dioctilfluoreno) (PFO) poli(p-fenileno vinileno (PPV). O PPV foi obtido a partir do precursor poli(cloreto de tetraidrotiofeno de xililideno) (PTHT). A técnica de deposição denominada deposição camada por camada assistida por spin (SA-LbL) foi utilizada para obtenção dos filmes. Medidas de absorbância confirmaram o crescimento linear das camadas para as interfaces polieletrólito/polieletrólito e polímero/polieletrólito. Com o objetivo de entender a transferência do elétron &pi; do polímero conjugado para o polieletrólito, as configurações das estruturas poliméricas foram alteradas através da deposição de diferentes monocamadas de polieletrólito sobre o filme polimérico. Observamos que os elétrons &pi; foram efetivamente transferidos para os polieletrólitos que possuem alta afinidades eletrônica. Este efeito interfere fortemente na absorção bem como nas características de condução do filme polimérico ultrafino. A absorção é restabelecida após a conversão de PTHT em PPV. Medidas de fotoluminescência (PL) em filmes PFO/PPV resultam em curvas de emissão com picos característicos de ambos os polímeros, o que confirma que a técnica SA-LbL permite a deposição de estruturas poliméricas multicamadas. As várias configurações de filmes obtidas elucidaram os processos de transferência que ocorrem em diferentes interfaces, tais como: mudança da sequencia de deposição do polieletrólito, número de camadas duplas PTHT/DBS e a introdução de camadas separadoras. Além disso, um único poço quântico, ou seja, estruturas formadas por uma camada PPV cercada por barreiras de PFO com 10 nm de espessura foram obtidas. Medidas de absorbâcia, PL e excitação mostraram uma eficiente migração estado excitado da barreira de PFO para o PPV (poço). A homogeneidade da imagem confocal, demonstrou um rigoroso controle da camada de cobertura ao nível de um única monocamada e sem contaminação pelos materiais depositados sequencialmente. A microscopia confocal de fluorescência (CFM) e espectroscopia de fluorescência resolvida no tempo (FLIM) foram utilizadas para caracterizar a dinâmica do exciton e o seu confinamento nos poços quânticos. As medidas de CFM demonstraram que excitons que são gerados na barreira de PFO são eficientemente transferidos para o PPV. Além disso, o tempo de decaimento da emissão PFO residual é fortemente reduzido devido a processos de migração concorrentes no poço. O tempo de decaimento de PPV diminui substancialmente para poços com espessuras abaixo de 5 nm como resultado da auto-aniquilação do exciton. Dessa forma, as estruturas de MQW obtidos pela técnica de SA-LbL podem ser usadas para estudar a transferência de energia, efeitos túneis e para a construção de novos dispositivos optoelectrónicos com maior eficiência. / The understanding of surface/interface processes and their effects on optical/electrical properties of organic materials is of strong technological importance. This research describes the fabrication and characterization of extremely thin (thickness <10 nm) and homogeneous multilayered polymeric structures including polymer/poly-electrolyte layers and structures with energy modulation such as quantum well. Our main purpose was the study of charge and energy transfer processes in such energy modulated structures. The luminescent polymers used were Poly(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl) (PFO) and poly(p-phenylenevinylene) (PPV). PPV has been obtained from the poly(xylyliden tetrahydrothiophenium chloride) (PTHT) precursor. The so-called Spin Self-Assembly Layer-by-Layer deposition method (SA-LbL) was utilized to obtain the films. Absorption measurements confirmed the linear growth of layers using for polyelectrolyte/polyelectrolyte and polymer/polyelectrolyte interfaces. In order to understand the &pi;-electron transfer from the conjugated polymer to charged states of the polyelectrolyte, the configurations of the polymeric structures were modified by depositing different polyelectrolyte monolayer on the polymer film. We observed that &pi;-electrons were effectively transferred to polyelectrolytes that have high electron affinities. This effect strongly affects both absorption and conduction features of such very thin polymeric film. The absorption is restored after the conversion of PTHT in PPV. Photoluminescence measurements on PFO/PPV films result in emission curves with characteristic peaks of both polymers, confirming that SA-LbL technique allows deposition of multilayer polymeric structures. The various film configurations elucidates the transfer processes occurring at different interfaces like: change of polyelectrolyte deposition order, number of PTHT/DBS bilayers and introduction of spacers. In addition, Single Quantum Well (SQW), i.e., structures consisted of PPV layer surrounded of 10 nm thick PFO barriers were obtained. Optical absorption, PL and excitation spectroscopy showed an efficient excited state migration from the PFO barrier to the PPV well. The confocal image homogeneity demonstrated the layer coverage control at a monolayer level and without layer intermixing of the sequentially deposited polymeric materials. High resolution Confocal Fluorescence Microscopy (CFM) and Fluorescence Life spectroscopy and Imaging (FLIM) were used to characterize the exciton dynamics and confinement in quantum well. The CFM measurements demonstrated that excitons generated at the PFO barrier are efficiently transferred to the PPV well. Furthermore, the decay time of the residual PFO emission is strongly reduced due to the competing migration process in the well. The decay time of PPV decreases substantially for well thicknesses below 5 nm as a result of exciton self-annihilation. Thus, the MQW structures obtained by SA-LbL technique can be used to study energy transfer, tunneling effects and to build up new optoelectronic devices with greater efficiency.

Materiais cerâmicos têm se mostrado atrativos para o desenvolvimento de novos materiais funcionais avançados no estado-da-arte especialmente devido às suas propriedades ópticas, magnéticas e eletrônicas moduláveis. Materiais luminescentes (incluindo os materiais fosforescentes, fluorescentes e persistentes), são promissores para muitas aplicações tecnológicas como LEDs, sinalização de atenção, biomarcadores etc.; assim, o estudo dos seus fenômenos ópticos tem um papel fundamental na engenharia de materiais mais eficientes. Os materiais que apresentam o fenômeno de luminescência persistente são capazes de emitir luz por longos períodos de tempo após cessada a fonte de irradiação. O método cerâmico, no qual altas temperaturas (> 1000 °C) e longos tempos de tratamento térmico (> 10 h) são requeridos, é o método de síntese mais usado para obtenção dessa classe de materiais. Portanto, há a necessidade do desenvolvimento de métodos mais rápidos, de menor consumo de energia e mais baratos para síntese desses compostos. Nesta tese, compostos com luminescência persistente de fórmula geral Sr2MgSi2O7:Eu2+,TR3+ foram preparados pelos métodos cerâmico-CCM (TR3+: Y, La-Lu) de coprecipitação-CPC (TR; Dy) e de estado sólido assistido por micro-ondas-MASS(TR: Dy) com o objetivo de investigar a influência dos métodos de síntese nas suas propriedades fotônicas. A caracterização dos materiais foi feita para explorar aspectos fundamentais dos compostos por uma ampla variedade de técnicas utilizadas, tais como, TGA, DTA, FTIR, XRD, SEM, NTA, XAS, PL e TL. De forma concisa, os principais resultados desta tese incluem a obtenção da fase cristalina desejada para o material particulado, com especial atenção às amostras obtidas em apenas 25 minutos de síntese pelo método MASS, correspondendo a um processo quase 20 vezes mais rápido do que o método cerâmico tradicional. Os materiais apresentaram uma larga banda de excitação entre 225 e 450 nm, atribuída às transições 4f7(8S7/2)&38594;4f65d1(2D) do íon Eu2+, indicando que estes materiais absorvem luz do UV ao visível. O comportamento de emissão destes materiais é bem descrito pela banda larga em 470 nm atribuída à transição 4f65d1(2D)&#8594;4f7(8S7/2) do íon Eu2+ na região do azul. A eficiência da luminescência persistente se mostrou um parâmetro fortemente dependente do codopante utilizado e do método de síntese. Os resultados de termoluminescência e de decaimento de luminescência persistente indicam que os materiais codopados com Tm3+ e Dy3+ são aqueles com maior tempo de emissão da luminescência persistente e que o método MASS o que produz materiais mais eficientes. Sendo assim, foi possível demonstrar a obtenção e os aspectos fundamentais das propriedades fotônicas do composto Sr2MgSi2O7:Eu2+,TR3+ com luminescência persistente de mais de 125 minutos, usando um método de síntese mais rápido, mais barato e de menor consumo de energia. / Ceramic materials have been attractive to the development of new state-of-the-art advanced functional materials, especially due to their tunable optical, magnetic and electronic properties. Luminescent materials (including phosphorescent, fluorescent and persistent materials) are promising to many technological applications such as LEDs, warning signs, medical biomarkers, etc.; thus, the studies of their optical phenomena play an important role in efficient materials engineering. Materials presenting persistent luminescence phenomenon are capable to emit light for long periods of time after ceased the irradiation source. The Ceramic Method, in which high temperatures (>1000 °C) and long-time thermal treatments (>10 h) are required, is the most common synthesis method used to obtain this class of materials. Therefore, the development of faster, energy-efficient and lower-prices synthesis methods is needed. In this work, persistent luminescent compounds with general formulae Sr2MgSi2O7:Eu2+,TR3+ were prepared via: ceramic method (CCM - RE3+: Y, LaLu), co-precipitation method (CPC, RE3+: Dy) and microwave-assisted solid-state method (MASS - RE3+: Dy) in order to investigate the influence of synthesis method parameters in their photonic properties. Important aspects of the materials characterization were explored using a wide range of techniques such as TGA, DTA, FTIR, PXRD, SEM, NTA, XAS, PL and TL. In summary, the main results of the thesis include the obtention of the desired phase powder materials, with special attention to the samples prepared via MASS method within 25 min of synthesis time, almost 20 times faster than the CCM method. The materials have shown a broad absorption band (from 225 to 450 nm) assigned to the Eu2+ 4f7(8S7/2)&#8594; 4f65d1(2D) transition, showing that the materials absorb light from UV to visible. The emission behavior of these materials is well described by its 470 nm-centered broad emission band in the blue region of the visible range. The persistent luminescence efficiency is strongly dependent on the co-dopants as well as synthesis methods. The thermoluminescence and the persistent emission decay analysis indicate that Tm3+ and Dy3+ co-doped materials have the longest emission time and that MASS synthesis produce the most efficient materials. All pointed, we have demonstrated the obtention and the fundamental aspects of photonic properties of the Sr2MgSi2O7:Eu2+,TR3+ materials with persistent luminescence lasting for more than 125 min using a faster, cheaper and lower-energy synthesis method.

This thesis is a study of the morphology and sediment transport dynamics of mountain streams in southeast Australia. Mountain streams represent important geomorphological and ecological systems in Australia which have hitherto been poorly studied. The variability of mountain stream reach morphology was investigated at the regional scale using topographical surveys and sediment sampling techniques. Study sites were stratified by slope and local lithology. Eight channel-morphologies including Bedrock, Cascade, Step-pool, Planebed, Pool-Riffle, Cascade-pool, Riffle-step and Infilled, were identified using an objective statistical approach. Overall, channel types were found to correspond to existing reach-scale mountain stream templates. Five morphologies were associated with a specific lithology type which controlled the size and shape of grains supplied to the channels. Differences in coarse sediment transport processes between morphologies were investigated using stream monitoring techniques and Optically Stimulated Luminescence (OSL) dating. Monitoring results from a 3 year period indicated that channel beds are resistant to entrainment with shear stress thresholds for bedload transport ranging between 64 to 74 N/m2. Transport of reach median grain sizes requires floods that exceed bankfull discharge. Existing competence equations were found to over-predict the hydraulic driving force and consequently, a modified entrainment model was used to account for the regional channel characteristics. OSL dating was investigated as a tool to provide data on long-term sediment transport processes. Minimum age model results from the OSL dates show overall agreement with a selected entrainment model, and indicate differences in sediment transport dynamics between some reach morphology types. A regime model was used to quantify the physical domains of different channel morphologies. Limitations of the model were overcome by modifying the sediment supply surrogate to better reflect the dominant transported bedload size. Morphology types were delineated according to different sediment transport capacity-sediment supply domains. The distribution of channel morphology types within a series of catchments in southeast Australia was modelled within a GIS platform using the diagnostics of reach morphology derived from this study. The model provides a conceptual framework to evaluate the potential link between channel form, potential habitat diversity and aquatic biodiversity within the channel network in mountain streams.