Tese de doutoramento. Engenharia Química. 2006. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto

Submitted by Marta Toyoda (1144061@mackenzie.br) on 2018-02-07T19:57:00Z No. of bitstreams: 2 Mariana Caldeira Ferraz da Costa.pdf: 4262658 bytes, checksum: 96704c9f44fdadcc81a3e3b28a4bb35b (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Paola Damato (repositorio@mackenzie.br) on 2018-05-04T12:44:02Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Mariana Caldeira Ferraz da Costa.pdf: 4262658 bytes, checksum: 96704c9f44fdadcc81a3e3b28a4bb35b (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-05-04T12:44:02Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Mariana Caldeira Ferraz da Costa.pdf: 4262658 bytes, checksum: 96704c9f44fdadcc81a3e3b28a4bb35b (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2017-12-13 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Fundo Mackenzie de Pesquisa / This dissertation describes a study of surface properties of graphene obtained by chemical vapor deposition (CVD) to evaluate its hydrophobicity and wetting transparency of this material deposited onto several hard substrates, for instance silicon wafer, glass, etc. To this end, contact angle measurements and the calculation of polar and dispersive components were performed to these samples, submitted or not to a thermal treatment at inert atmosphere. Moreover, a study of the influence of factors that rule transfers processes grounded in Direct Dry Transfer (DDT) of two-dimensional materials (CVD graphene and graphene oxide - GO) onto polymeric surfaces of two or three dimensions was executed, such as surface properties and chemical structure to each materials (two-dimensional and polymers) and rheological properties of polymers. The results indicated graphene is hydrophobic and partially wetting transparent due to influences of the nature of substrates in which it is deposited. However, the thermal treatment at inert atmosphere altered significantly the surface properties of this material, indicating that, for graphene, such properties are strongly influenced by molecules adsorbed onto surface, achieving results very close to those presented in the literature. Talking about transfer processes of 2D materials onto polymers surfaces, the evaluation of surface properties demonstrated to be efficient in predicting the quality and quantity of CVD graphene transferred using DDT. However, factors such as rheological properties and chemical structure must be evaluated concomitantly. Lastly, the efficacy of a technique developed to cover polymer surfaces of three-dimensional substrates with graphene oxide using injection molding processing was presented. / Esta dissertação relata um estudo das propriedades de superfície do grafeno obtido via deposição química na fase vapor (CVD) para avaliação da sua hidrofobicidade e transparência da molhabilidade, quando esse material se encontra depositado em diferentes substratos rígidos, tais como wafer de silício, vidro, entre outros. Para isso, medidas de ângulo de contato e cálculos das componentes polares e dispersivas foram realizados em amostras submetidas ou não a tratamento térmico em atmosfera inerte. Além disso, foi executado um estudo sobre a influência dos fatores que regem processos de transferência fundamentados na técnica Direct Dry Transfer (DDT), envolvendo materiais bidimensionais (grafeno CVD e óxido de grafeno – GO) para superfícies poliméricas, sejam elas de duas ou três dimensões, tais como as propriedades de superfície e estrutura química de ambos os materiais (bidimensionais e polímeros) e as propriedades reológicas dos polímeros. Os resultados indicaram que o grafeno é hidrofóbico e parcialmente transparente ao molhamento devido a influências da natureza do substrato no qual se encontra depositado. O tratamento térmico em atmosfera inerte altera significativamente as propriedades de superfície desse material, indicando que, para o grafeno, tais propriedades são fortemente influenciadas por moléculas adsorvidas na superfície, obtendo resultados muito próximos daqueles previstos teoricamente. Com relação aos processos de transferência de materiais 2D para polímeros, a avaliação das propriedades de superfície dos materiais se demonstrou eficiente na previsão da qualidade e quantidade do grafeno CVD transferido usando a técnica DDT. Contudo, fatores como propriedades reológicas e estrutura química devem ser avaliados concomitantemente. Por último, foi demonstrada a eficiência de uma técnica desenvolvida para recobrimento de superfícies poliméricas de substratos tridimensionais com óxido de grafeno utilizando processamento de moldagem por injeção.

Materiais dopados com o íon trivalente Tb apresentam intensa emissão no verde (5D4 → 7Fj, j = 3, 4, 5 e 6) e fraca na região UV-azul (5D3 → 7Fj , j = 4, 5 e 6). A emissão azul pode ocorrer a partir de excitação direta no UV (emissão Stokes) ou por upconversion (emissão anti-Stokes), após a excitação em 488 nm (excitação ressonante no nível 5D4 a partir do estado fundamental). Nesta dissertação analisamos as propriedades da luminescência do Tb3+ em vidros aluminosilicato de cálcio com baixa concentração de sílica. Para excitação em 325nm, verificou-se que a intensidade da luminescência verde aumenta linearmente com a concentração, enquanto a emissão azul é fortemente reduzida com o aumento da concentração de Tb3+ de 0,5 para 15,0% (% em peso). No caso da excitação em 488 nm, observou-se uma forte saturação das emissões verdes, para intensidades duas ordens de grandeza menores que o esperado. Por meio de um sistema de equações de taxa, mostramos que esse comportamento pode ser explicado pelo mecanismo de absorção do estado excitado (AEE) e, por uma seção de choque de absorção (5D4 → 5D3) aproximadamente duas ordens de magnitude maior do que a do estado fundamental (7F6 → 5D4). Nossos resultados sugerem que a relaxação cruzada envolvendo os níveis 5D4 e 5D3 não é o único mecanismo responsável pela depopulação do nível 5D3 , como tipicamente descrito na literatura. Processos de upconversion por luminescência cooperativa entre íons excitados (5D3: 5D3 ou 5D3: 5D4) e outros mecanismos que envolvem transferência de energia para níveis excitados superiores (4f5d, banda de transferência de carga, matriz hospedeira, defeitos, etc) podem desempenhar um papel significativo neste sistema. Medidas de Z-scan resolvidas no tempo com excitação em 488 nm foram realizadas e não-linearidades de altas ordens foram observadas (n2, n4, etc.). A partir do n2, valores de Δαp e Δσ da ordem de 10-25 cm3 e 10-20cm2 foram calculados, respectivamente. Este valor de Δαp é o mais alto já reportado em materiais dopados com TR, provavelmente devido à baixa energia dos níveis 4f5d para o íon Tb3+. / Trivalent Tb-doped materials exhibit strong emission in the green (5D4 → 7Fj, j = 3, 4, 5 e 6) and weak in the UV-blue (5D3 → 7Fj , j = 4,5 e 6). The blue emission can occur from direct UV excitation (Stokes emission) or by upconversion (anti-Stokes emission) through 488 nm excitation (resonant pump of 5D4 metastable level from the ground state). In this dissertation the luminescence properties of Tb3+ doped low silica calcium aluminosilicate glasses are reported and analyzed. The intensity of green luminescence increases proportionally to the concentration while the blue luminescence is strongly reduced with the increase of Tb3+ concentration from 0.5 up to 15.0 wt%. In the case of 488 nm excitation, a saturation behavior of the green emission is observed at intensities two orders of magnitude smaller than expected for bleaching of the ground state population. Using a rate equation model, we show that this behavior can be explained by an excited state absorption (ESA) from 5D4 to upper levels, with an absorption cross section two orders of magnitude larger than the ground state absorption. The effect of ESA could also be observed by the shortening of the green emission risetime with the increase of pump intensity. We infer that the CR is not the only loss mechanism responsible for the 5D3 depopulation. Cooperative upconversion from a pair of excited ions (5D3:5D3 or 5D3:5D4) and other mechanisms involving upper lying states (4f5d, charge transfer, host matrix, defects, etc.) may play a significant role. Time-resolved Z-scan measurements were also performed at 488 nm high order nonlinearities were observed (n2, n4, etc.). From n2, Δαp and Δσ of the order of 10-25 cm3 and 10-20cm2, respectively, were obtained. This Δαp value is the highest ever reported for a RE doped material, it seems to be due to the low energy value of the 4f5d state in Tb3+.

Apresentamos uma série de novos resultados acerca dos vidros aluminosilicato de cálcio com diferentes concentrações de sílica (7,0 e 34,0% em massa) dopados com o íon Tb3+ (Tb4O7 = 0,05 - 15,0% em massa). A partir de medidas de absorção, excitação, emissão e tempos de decaimento; discutimos detalhadamente os mecanismos de emissão verde e azul do Tb3+ neste sistema vítreo. As emissões na região do azul (nível 5D3) foram analisadas tanto pela excitação direta no UV (emissão de Stokes) quanto por conversão ascendente de energia (emissão anti-Stokes), após a excitação em 488 nm (excitação ressonante com o nível 5D4). Para excitação em 325 nm, verificou-se que a intensidade da luminescência verde aumenta linearmente com a concentração, enquanto a emissão azul é fortemente reduzida com o aumento da concentração de Tb3+. No caso da excitação em 488 nm, observou-se uma forte saturação das emissões no verde, para intensidades duas ordens de grandeza menores que o esperado (Isat = 2,3×106 W/cm2). Por meio de um sistema de equações de taxa, mostramos que esse comportamento pode ser explicado pelo mecanismo de absorção do estado excitado e por uma seção de choque de absorção (5D4 → 5D3) aproximadamente duas ordens de magnitude maior do que a observada na transição 7F6 → 5D4. Espectros de excitação e emissão realizados a baixa temperatura (6 K) evidenciaram a presença de emissões atribuídas à matriz hospedeira. Medidas de Z-scan resolvidas no tempo, com excitação em 488 nm também foram realizadas e nos permitiram calcular a variação da polarizabilidade (Δαp) das amostras. A concentração de sílica apresentou forte influência nas propriedades não lineares aferidas. Para a amostra com menor concentração de sílica (7,0% em massa), o valor de Δαp é aproximadamente 10 vezes maior do que para a amostra com maior concentração de sílica (34% em massa). / We present a series of new results concerning Tb+3 (Tb4O7 = 0,05 - 15,0 wt.%) doped calcium aluminosilicate glasses with different silica concentrations (7.0 and 34.0 wt.%). Through optical absorption, excitation spectra, photoluminescence, and fluorescence decay measurements, the blue and green Tb+3 emission are discussed in detail. Emissions in the UV-blue region (5D3 level) were analyzed by direct UV excitation (Stokes emission) and by upconversion (anti-Stokes emission), resonant excitation with level 5D4 level. For the excitation at 325 nm, the intensity of the green luminescence increases linearly with the Tb+3 concentration. In opposite, the blue emission is strongly reduced with increasing the Tb+3 concentration from 0.5 to 15.0% (wt%). In the case of the 488 nm excitation, strong saturation of the green emissions was observed for pump intensity two orders of magnitude lower than expected (Isat = 2,3×106 W/cm2). By means a rate equations system, we explain this behavior by the excited state absorption and by an absorption cross section (5D4 → 5D3) approximately two orders of magnitude larger than 7F6 → 5D4 transition. Excitation and emission spectra were performed at low temperature (6 K) in the Tb doped LSCAS glass. These spectra showed matrix emission bands. Time-resolved Z-scan measurements were performed (at 488 nm). From these measurements, we determine the polarizability change (Δαp) in Tb doped glasses. The silica concentration presents a great influence on the nonlinear properties measured. The Δαp value in low silica calcium aluminosilicate glass (7.0 wt.%) is approximately 10 times higher than the value determined the sample with a higher silica content (34.0 wt.%).

Materiais dopados com o íon trivalente Tb apresentam intensa emissão no verde (5D4 → 7Fj, j = 3, 4, 5 e 6) e fraca na região UV-azul (5D3 → 7Fj , j = 4, 5 e 6). A emissão azul pode ocorrer a partir de excitação direta no UV (emissão Stokes) ou por upconversion (emissão anti-Stokes), após a excitação em 488 nm (excitação ressonante no nível 5D4 a partir do estado fundamental). Nesta dissertação analisamos as propriedades da luminescência do Tb3+ em vidros aluminosilicato de cálcio com baixa concentração de sílica. Para excitação em 325nm, verificou-se que a intensidade da luminescência verde aumenta linearmente com a concentração, enquanto a emissão azul é fortemente reduzida com o aumento da concentração de Tb3+ de 0,5 para 15,0% (% em peso). No caso da excitação em 488 nm, observou-se uma forte saturação das emissões verdes, para intensidades duas ordens de grandeza menores que o esperado. Por meio de um sistema de equações de taxa, mostramos que esse comportamento pode ser explicado pelo mecanismo de absorção do estado excitado (AEE) e, por uma seção de choque de absorção (5D4 → 5D3) aproximadamente duas ordens de magnitude maior do que a do estado fundamental (7F6 → 5D4). Nossos resultados sugerem que a relaxação cruzada envolvendo os níveis 5D4 e 5D3 não é o único mecanismo responsável pela depopulação do nível 5D3 , como tipicamente descrito na literatura. Processos de upconversion por luminescência cooperativa entre íons excitados (5D3: 5D3 ou 5D3: 5D4) e outros mecanismos que envolvem transferência de energia para níveis excitados superiores (4f5d, banda de transferência de carga, matriz hospedeira, defeitos, etc) podem desempenhar um papel significativo neste sistema. Medidas de Z-scan resolvidas no tempo com excitação em 488 nm foram realizadas e não-linearidades de altas ordens foram observadas (n2, n4, etc.). A partir do n2, valores de Δαp e Δσ da ordem de 10-25 cm3 e 10-20cm2 foram calculados, respectivamente. Este valor de Δαp é o mais alto já reportado em materiais dopados com TR, provavelmente devido à baixa energia dos níveis 4f5d para o íon Tb3+. / Trivalent Tb-doped materials exhibit strong emission in the green (5D4 → 7Fj, j = 3, 4, 5 e 6) and weak in the UV-blue (5D3 → 7Fj , j = 4,5 e 6). The blue emission can occur from direct UV excitation (Stokes emission) or by upconversion (anti-Stokes emission) through 488 nm excitation (resonant pump of 5D4 metastable level from the ground state). In this dissertation the luminescence properties of Tb3+ doped low silica calcium aluminosilicate glasses are reported and analyzed. The intensity of green luminescence increases proportionally to the concentration while the blue luminescence is strongly reduced with the increase of Tb3+ concentration from 0.5 up to 15.0 wt%. In the case of 488 nm excitation, a saturation behavior of the green emission is observed at intensities two orders of magnitude smaller than expected for bleaching of the ground state population. Using a rate equation model, we show that this behavior can be explained by an excited state absorption (ESA) from 5D4 to upper levels, with an absorption cross section two orders of magnitude larger than the ground state absorption. The effect of ESA could also be observed by the shortening of the green emission risetime with the increase of pump intensity. We infer that the CR is not the only loss mechanism responsible for the 5D3 depopulation. Cooperative upconversion from a pair of excited ions (5D3:5D3 or 5D3:5D4) and other mechanisms involving upper lying states (4f5d, charge transfer, host matrix, defects, etc.) may play a significant role. Time-resolved Z-scan measurements were also performed at 488 nm high order nonlinearities were observed (n2, n4, etc.). From n2, Δαp and Δσ of the order of 10-25 cm3 and 10-20cm2, respectively, were obtained. This Δαp value is the highest ever reported for a RE doped material, it seems to be due to the low energy value of the 4f5d state in Tb3+.