Este trabalho apresenta o estudo de propriedades espectroscópicas de Vidros Oxifluoroboratos de Chumbo, 40PbO-10PbF2-50B2O3 dopados com diferentes concentrações de Dy3+: 1, 3, 5 e 7 mol%. Para tanto foram empregadas as técnicas de Difração de Raios-X, Espalhamento Raman, Absorção Óptica e Fotoluminescência. Parâmetros como temperatura de transição vítrea, índice de refração e densidade também foram determinados. O comportamento do índice de refração, da densidade, e da temperatura de transição vítrea, Tg, indicaram uma possível mudança estrutural provocada pela adição de dopante, o que foi confirmado pela Espectroscopia Raman. Com as medidas de absorção óptica foram calculados os parâmetros fenomenológicos de Judd-Ofelt, &#937&#955 (&#955 = 2, 4, 6), com os quais se calculou as probabilidades de transição radiativa do íon, bem como se verificou o caráter covalente das ligações presentes na matriz. As medidas de Fotoluminescência mostraram que o aumento da concentração de dopante diminui a intensidade da emissão, e que a diminuição da temperatura provoca um aumento da intensidade das mesmas bem como promove o estreitamento das bandas de emissão. Além disto, foi possível verificar a dependência da intensidade da emissão com a energia de excitação utilizada. Para as medidas de Fotoluminescência em baixas temperaturas foi desenvolvido um sistema alternativo baseado numa sonda de fibra óptica cuja utilização mostrou-se mais simples que a tradicional montagem com criostato. / This work presentes the study of the spectroscopic properties of Lead Oxifluroborate Glasses, 40PbO-10PbF2-50B2O3 doped with four different concentrations of Dy3+: 1, 3, 5 e 7 mol%. In order to achieve this, X-ray diffraction, Raman scaterring, Optical absorption, and Photoluminescence techniques were applied. Important parameters like the glass transition temperature, the index of refraction, and the density were also obtained. The behavior of these parameters suggested a possible structural change induced by adding Dy3+: which was confirmed by Raman scattering. The Judd-Ofelt phenomenological parameters, &#937&#955 (&#955 = 2, 4, 6), were calculated from the optical absorption results. From these values the ion radioactive transition probability were obtained and the covalent character of the bonds in the matrix was established. The photoluminescence measurements showed that an increase of Dy3+: concentration diminishes the emission intensity. The opposite happens decreasing the temperature, which also narrows the emission bands. Additionally, the emission intensity dependence with the excitation energy was verified. In order to study photoluminescence in the low temperatures range it was developed an alternative system based on an optical fiber probe. This device revealed to be more simple to operate than cryostat traditional system.

Nesta tese são apresentados resultados inovadores de puxamento e caracterização de fibras cristalinas de compostos presentes no diagrama de fases de equilíbrio La2O3 - Ta2O5. Os compostos La3TaO7 (Ponto de Fusão: 2020 ºC), LaTaO4 (1930 ºC), LaTa3O9 (1850 ºC), La2Ta12O33 (1890 ºC), LaTa5O14 e LaTa7O19 mais os óxidos precursores Ta2O5 (1872 ºC) e La2O3 (2315 ºC) foram crescidos pela técnica Laser-heated pedestal growth (LHPG). Cristais no formato de fibras, com diâmetros que variaram de 250 a 2200 μm e comprimentos de até 60 mm, foram obtidos em atmosfera aberta a partir da fusão de pedestais preparados por extrusão a frio e na composição estequiométrica desejada. Diagramas de velocidade de puxamento em função do diâmetro da fibra foram construídos para se definir as condições experimentais ideais para o crescimento de cristais transparentes e livres de defeitos, como microtrincas. Um estudo térmico na interface sólido-líquido foi realizado para o composto Ta2O5 de modo a determinar o diâmetro do cristal máximo que é possível de se obter sem a ocorrência de trincas associadas ao stress térmico. A estrutura cristalina das fibras de Ta2O5 foi determinada como monoclínica, quando dopada com íons terras-raras em concentração nominal superior a 1 mol% apresentaram a estrutura como triclínica. Cristais de La2O3 também foram obtidos. Porém o La2O3 é altamente higroscópico, transformaram-se em La(OH)3. Os cristais La3TaO7, LaTaO4, LaTa3O9, La2Ta12O33, LaTa5O14 e LaTa7O19 puros e, quando possível dopados com íons terras-raras (Nd+3, Tm+3 e Eu+3, foram caracterizados estruturalmente, por difração de raios X e em alguns casos, por espectroscopia micro-Raman, e opticamente, usando as técnicas de absorção óptica e fotoluminescência. / Innovative results related to the pulling and characterization of crystalline fibers of compounds in the La2O3 - Ta2O5 phase diagram. Structural and optical characterizations were carried out to evaluate the quality of the crystals grown. Compounds such as La3TaO7 (Melting point: 2020 ºC), LaTaO4 (1930 ºC), LaTa3O9 (1850 ºC), La2Ta12O33 (1890 ºC), LaTa5O14 e LaTa7O19 and the end member Ta2O5 (1872 ºC) and La2O3 (2315 ºC) precursors were grown by laser-heated pedestal growth (LHPG). Fibers of lengths of up to 60 mm and with diameters ranging from 250 to 2200 μm were obtained in open atmosphere from the melting of pedestals with stoichiometric compositions that are prepared by the cold extrusion process. Diagrams of pulling rate on the fiber diameter were built to define experimental conditions for the growth of transparent crystals and free defect, such as microcracks. A study on thermal solid-liquid interface was performed for the Ta2O5 compound to determine the maximum diameter of the crystal it is possible to obtain without the occurrence of cracks associated with thermal stress. The crystal structure of the fibers of Ta2O5 was monoclinic, with the exception of as-doped rare-earth ions in nominal concentration more than 1 mol% which was determined as triclinic. Transparent La2O3 crystals were grown and verified which its absorbed water from the environment and transformed into La(OH)3. The crystals La3TaO7, LaTaO4, LaTa3O9, La2Ta12O33, LaTa5O14 and LaTa7O19 pure and, when possible doped rare-earth ions (Nd+3, Tm+3, Eu+3), were characterized by X-ray diffraction, and in some cases, by micro-Raman spectroscopy, and optically, using the techniques of optical absorption and photoluminescence.

O desenvolvimento de laseres de estado sólido compacto operando na região do infravermelho médio, entre 2 - 5 ?m, tem recebido considerável atenção nos últimos anos. Esses dispositivos oferecem grande potencial como fonte de luz para uma infinidade de aplicações, como por exemplo laseres para medicina e sensores químicos remotos. Laseres operando na região de 2.8 ?m tem interesse particular na medicina devido a forte banda de absorção da água nessa região espectral. Para se conseguir forte emissão laser próximo a 2.8 ?m têm sido investigadas famílias de vidros não-óxidos, como por exemplo vidros fluoretos de metais pesados e vidros chalcogenetos, dopados com Er3+. Entretanto esses vidros são caros, difíceis de serem feitos, além de serem tóxicos. Por essa razão o desenvolvimento de um vidro óxido seria ideal, já que são mais baratos, relativamente fáceis de serem produzidos, além de não serem tóxicos. A desvantagem dos vidros óxidos é a sua alta energia de fônons, quando comparada aos vidros haletos e chalcogenetos, que aumenta a taxa de transição não radiativa. Seria interessante investigar um sistema vítreo que tivesse propriedades otimizadas, ou seja, boas propriedades ópticas, térmicas e mecânicas, e baixa energia de fônons. O sistema vítreo aluminato de cálcio seria um candidato para essas aplicações, já que preenche essas exigências. Porém não há na literatura informações a respeito da influência de pequenas quantidades de elementos terras raras nas propriedades desses vidros, e qual é a concentração ideal desses íons. O objetivo dessa tese foi investigar composições de vidros aluminato de cálcio (48,1 CaO : 40.8 Al2O3 : 4.1 MgO : 7.0 SiO2) dopados com Nd2O3, Er2O3 ou Yb2O3, e verificar qual a influência desses íons nas propriedades ópticas, térmicas, mecânicas e termo-ópticas. Investigou-se também qual a influência da atmosfera de fusão. Com esse objetivo as amostras foram fundidas em cadinhos de grafite sob vácuo, e em cadinhos de platina, ao ar, ambas as fusões ocorreram a 1400 °C. As amostras foram investigadas através de difração de raios-X e microscopia óptica, cujos resultados confirmaram o estado amorfo das amostras preparadas. As amostras não apresentaram estrias e tiveram boa transparência óptica. Os espectros de transmitância mostraram que o processo de fusão a vácuo eliminou completamente a forte banda de absorção próxima a 3 ?m devida a água. O corte da transmitância na região do infravermelho ocorreu em 5.5 ?m, sendo independente do tipo do íon terra rara presente na composição do vidro. O índice de refração em 546.1 nm aumentou de 1.6702 (amostra base) para 1.6876 (amostra dopada com 8% de Er2O3). Este acréscimo no índice de refração é atribuído a um aumento da polarizabilidade eletrônica do vidro devido ao aumento de oxigênios nonbridging. A densidade aumenta de 2.92 g/cm3 (amostra base) para 3.12 g/cm3 (amostra dopada com 8% de Er2O3), esse aumento é explicado levando em consideração a massa dos átomos terras raras, que são maiores em relação ao Al2O3. A dureza dos vidros aluminato de cálcio diminuiu de 865 kg/mm2 (amostra base) para 781 kg/mm2 (amostra dopada com 8% de Er2O3), ou seja aproximadamente 11% de decréscimo. No caso da temperatura de transição vítrea, Tg, esse decréscimo é de aproximadamente 8%, sendo 841 °C para a amostra base e 782 °C para a amostra dopada com 8% de Er2O3. Para o vidro base, a difusividade térmica foi de 5.75 x 10-3 cm2/s e a condutividade térmica foi de 15.5 x 10-3 cm-1 K-1. Tanto a difusividade quanto a condutividade térmica decresceram na mesma proporção da dureza e Tg, conforme substitui-se a alumina pelo óxido terra rara. Esta é uma indicação de que os átomos terras raras atuam como modificadores de rede, abrindo a estrutura do vidro, diminuindo a resistência mecânica e atuando como barreiras térmicas no material. A resistência ao choque térmico dos vidros aluminato de cálcio é de 339 W/m, semelhante aos vidros silicatos que é de 358 W/m, e aproximadamente quatro vezes maior que a dos vidros fluoretos, 86 W/m. Este resultado confirma a hipótese de que os vidros aluminato de cálcio podem suportar variações abruptas de temperatura. Através da espectroscopia de lente térmica foram obtidas a eficiência quântica dos vidros aluminato de cálcio dopados com Nd2O3 e Er2O3. No caso das amostras dopadas com concentrações menores de 3% de Nd2O3 a eficiência quântica foi de aproximadamente 80%. Esses resultados indicam que os vidros aluminato de cálcio são excelentes candidatos para laseres de estado sólido e demais aplicações ópticas na região do infravermelho médio. / The development of compact solid-state lasers operating in the midinfrared wavelength region (2 -5 ?m) has been an area of considerable activity in the last few years. These devices offer great potential as light sources for applications as medical lasers as well as in remote chemical sensing devices. Light sources in the 2.8?m region are of particular interest for medical applications due to the strong water absorption in this spectral region. Apart from allowing extremely precise cutting and ablation of water-containing tissues, the other advantages of using light sources operating at 2.8 ?m are related to the possibilities of reducing skin burning in surgeries, decrease in the use of anesthesia and shortening of recovery time, especially in skin surgeries and in the cutting and remova1 of hard tissues, such as tooth enamel and bone. In order to achieve strong laser emission around 2.8 ?m the effort so far has been concentrated on the family of Er3+ doped non -oxide glasses such as heavy metal fluorides and chalcogenides. However the production of these glasses is expensive, and it is difficult to make them, besides they are toxic. On the other hand, the oxide glasses are cheaper, atoxic and easy to produce them. The disadvantaged, however, is its the relative high phonon energy that promote high nonradiative transition rates. Since calcium aluminate glasses are formed with non-network forms, CaO and Al2O3, they have high tendence towards devitrification. The addition of small amounts of alkali and alkaline earth elements enlarges the glass forming region. Several calcium aluminate glasses compostions containing SiO2, BaO and MgO are now reported in the literature. In this thesis, low silica calcium aluminosilicate glasses doped with Nd2O3 and Er2O3 were prepared. Since the sample compositions were close to the phase diagram glass formation, the rare earth doping was performed up to 8wt.%. The samples was melted under vacuum condition in a graphite crucible at 1500 °C, and in air in a platinum crucible. The influence of the rare earth doping on the thermal diffusivity, thermal conductivity and Vickers hardness was such that all these physical parameters decreased by roughly the same amount, namely 8%, between the undoped and 5 wt% of Nd2O3. The dependence of these parameters, as a function of the Nd2O3 doping, strongly supports the idea that the Nd3+ or Er3+ act as network modifiers. Elastic module (E, G, K, v) of calcium aluminosilicate glasses with < 10 mole% of SiO2 doped with Er2O3 and Yb2O3, melted in air and under vacuum conditions, have been measured using the pulse echo ultrasonic technique. There was a decrease of the elastic properties, about 5%, as rare earth doping increases from 0.2 to 1.5-mol% (about 8 wt%). The Young\'s modulus did not vary within errors of measurements. The Debye temperature varied between (369±9)K and 352±9 K, which is explained assuming that the rare earth ions acts as network modifiers disrupting the glasses structure. The undoped calcium aluminate glasses fracture toughness is (1.4±0.3) MPa m1/2 and the thermal shock resistance is (339±102) W/m. The fluorescence quantum efficiency determined by thermal lens spectroscopy, was found be about 80% for the 2wt% Nd2O3 doped calcium aluminosilicate glass. The fluorescence quenching was observed to doping higher than 2wt% Nd2O3. The variation of the refractive index as a function of the temperature, dn/dT, was found be 8.0 x 10-6/0c. Among the various glass system investigated, CA glasses presented greater mechanical properties and larger thermal shock resistance, indicating that these materials are candidates for solid state laser applications and other infrared applications.

Neste trabalho, apresentamos resultados da caracterização Magneto-Óptica de íons terras-raras (Nd3+ e Yb3+) em monocristais de niobato de lítio (LiNbO3). Medidas de Dicroísmo Circular Magnético (MCD) e de Emissão Circularmente Polarizada em Presença de Campo Magnético (MCPE) foram realizadas pela primeira vez nesses sistemas. Os resultados foram obtidos à temperatura de 2K, e em campos magnéticos de até 5 T. Através desses estudos, foi possível identificar os números quânticos cristalinos (&#956) dos subníveis Zeeman desses íons. A partir da dependência do sinal de MCD com a intensidade de campo magnético, determinou¬se o fator giromagnético efetivo g// do estado fundamental de cada íon, obtendo-se os valores: g//Nd = (1,4 &#177 0,1) e g//Yb = (4,7 &#177 0,1). Esses valores foram confirmados através de medidas de espectroscopia de Ressonância Paramagnética Eletrônica (EPR), realizadas a baixa temperatura (4-8 K), em banda X. Os espectros de EPR foram tomados em função da orientação relativa do campo magnético externo com o eixo c cristalino dos cristais, em 3 planos perpendiculares entre si. Os espectros de EPR mostram a existência de diferentes sítios ocupados pelos íons terras-raras. O sítio mais populado tem simetria axial, e para esse centro determinaram-se os fatores g efetivos g//Nd = (1,440 &#177 0,005) e g//Nd = (2,959 &#177 0,004), para o íon Nd3+, e g//Yb = (4,705 &#177 0,008) e g//Yb = (2,693 &#177 0,005) para o íon Yb3+. Espectros de MCD e MCPE obtidos para um cristal de rubi ilustram as convenções utilizadas e atestam que o sistema experimental funciona adequadamente. Os espectros obtidos nessa amostra também são originais, tendo sido resolvidas as transições permitidas com luz circularmente polarizada entre os subníveis Zeeman correspondentes aos níveis de energia 4A2 e &#8254E (2E) do íon Cr3+. / In this work we present Magneto-Optícal characterizations of rare-earth ions (Nd3+ e Yb3+) in lithium niobate (LiNbO3) single crystals. Magnetic Circular Dichroism (MCD) and Magnetic Circularly Polarized Emission (MCPE) measurements were performed for the first time on those systems. Spectra were obtained at 2K and at magnetic field strength up to 5T. From these studies, it was possible to assign the crystal quantum number (&#956) of the Zeeman sublevels of these ions, so that the sign and allowance of the electronic transitions could be predicted. From the dependence of suitable MCD spectral lines on the magnetic field strength, the effective parallel gyromagnetic factor (g//) of the ground state for each of the rare earth ions has been determined to be: g//Nd = (1,4 &#177 0,1) e g//Yb = (4,7 &#177 0,1). These values are in dose agreement to those obtained by means of Electron Paramagnetic Resonance (EPR) spectroscopy, at 4-8 K, and at X-band frequency. EPR spectra were recorded as a function of the external magnetic field orientation relative to the c crystalline axis in three mutual perpendicular planes. These spectra show evidence of multiple sites occupied by the rare-earth ions. For the most intense line seen in the spectra of each ion, it could be clearly assigned a site with axial symmetry, with effective g factors of g//Nd= (1,440 &#177 0,005) and g//Nd = (2,959 &#177 0,004), for the Nd3+3+ ion, and g//Yb = (4,705 &#177 0,008) and g//Yb= (2,693 &#177 0,005) for the Yb3+ ion. MCD and MCPE spectra recorded for a ruby crystal shows the experimental conventions used so far in this work, as well as assure that the experimental system works properly. These results are original ones, by means of which, the spectral transitions between the Zeeman sublevels of the 4A2 and &#8254E (2E) of the Cr3+ ions in ruby could be resolved.

Submitted by Marlene Santos (marlene.bc.ufg@gmail.com) on 2018-08-08T18:10:49Z No. of bitstreams: 2 Tese- Fausto de Melo Faria Filho - 2017.pdf: 6580669 bytes, checksum: 29a18b3c0e94bc8b3bf1f3b87f339ee1 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2018-08-09T11:49:54Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Tese- Fausto de Melo Faria Filho - 2017.pdf: 6580669 bytes, checksum: 29a18b3c0e94bc8b3bf1f3b87f339ee1 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-09T11:49:54Z (GMT). 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The powders samples were characterized by X-ray diffraction, infrared vibrational spectroscopy, thermal analysis, and transmission electron microscopy. Diffuse reflectance spectra and photoluminescence emissions were collected under excitation at 394 nm for Eu3+ doped samples, at 378 and 977 nm for Er3+ doped samples, at 804 nm for Nd3+/Yb3+ doped samples and at 365 nm for pure samples. The Er3+ or Eu3+ doped aluminogermanate sample presented the Al6Ge2O13 crystalline phase identified by JCPDS card number 71-1061 after annealings at high temperatures. Absorption spectra in the infrared region showed Al-O-Ge and Al-O type bonds. The Eu3+ doped Al6Ge2O13 samples when excited at 394 nm showed red emission and the spectra analysis lead us to conclude that the lanthanides were located in a homogeneous environment with low symmetry. The Er3+ doped Al6Ge2O13 sample showed emission band in the infrared region with full width at half maximum of around 48 nm when excited at 977 nm. The band gap values were determined being between 4.19 and 4.30 eV. The Eu3+ doped xAl2O3+(1-x)B2O3 compositions presented the crystalline phase Al4B2O9 identified by JCPDS card number 29-0010. AlO6, AlO4, BO4 and BO3 groups were identified by FTIR technique. For these compositions, the emission spectra in the visible region showed a homogeneous environment with low symmetry. The Eu3+ doped 0.66Al2O3+0.34B2O3 sample possess the highest photoluminescence emission, after heat treatments at 900 °C . The lifetime of the Eu3+ 5D0 excited level were between 1.4 and 2.1 ms, depending on the B2O3 concentration and annealing temperature. The optical band gap was also determined having values between 3.72 and 4.42 eV. The Nd3+/Yb3+ doped Al4B2O9 samples present an efficient energy transfer between lanthanide ions and the best relative concentration was 1Nd3+ / 2Yb3+. The decay time of the emission at 1080 nm (975 nm) as function the Nd3+ concentration shows a maximum value around 120 μs at concentration of 4 mol% (around 200 μs for 2 mol%). On the other hand, changing the Yb3+concentration, the maximum decay time for emission at 1080 nm (975 nm) was around 100 μs (175 μs) for 1 mol% of Yb3+. In short, the materials studied are excellent candidates for application as luminophores in various technologies, such as LED´s and displays. / A presente tese tem como principal objetivo estudar matrizes nanocristalinas de compostos germanatos e boratos contendo íons lantanídeos visando aplicações em fotônica, especialmente emissores de luz (fósforos). Foram preparadas pelo processo sol-gel e método dos precursores poliméricos (método Pechini), amostras com as seguintes composições: Al6Ge2O13 sem dopante e dopada com 1% em mol de Eu3+ ou Er3+, tratadas termicamente a 1000 °C, xAl2O3+(1-x)B2O3 dopada com 1% em mol de Eu3+ para valores de x iguais a 0,33; 0,50; 0,60; 0,66; 0,75 e 0,80 e tratamentos térmicos de 800, 900 ou 1000 °C e a fase Al4B2O9 dopada com xNd3+/yYb3+ (onde x,y = 1,0; 1,1; 1,2; 1,4; 1,8; 0,1; 2,1; 4,1 e 8,1) tratada termicamente a 900 °C. As amostras na forma de pós nanoestruturados foram caracterizadas por difração de raios X, espectroscopia vibracional na região do infravermelho, análise térmica e microscopia eletrônica de transmissão. Coletou-se também espectros de refletância difusa e emissão óptica fotoluminescente sob excitação de 394 nm para amostras dopadas com íons Eu3+, de 378 e 977 nm para amostras dopadas com íons Er3+, de 804 nm para amostras dopadas com Nd3+/Yb3+ e 365 nm para amostras sem dopantes. A amostra aluminogermanato dopada com íons Er3+ ou Eu3+ apresentou a fase cristalina Al6Ge2O13 identificada com a ficha JCPDS número 71-1061 após tratamentos térmicos a altas temperaturas. Espectros de absorção na região do infravermelho mostraram grupos AlO4, AlO6 e GeO4. A amostra Al6Ge2O13 dopada com Eu3+ quando excitada em 394 nm apresentou emissão no vermelho e uma análise do espectro mostrou que o terra-rara se localizava em um ambiente homogêneo e de baixa simetria. A amostra Al6Ge2O13 dopada com Er3+ quando excitada em 977 nm, apresentou emissão com largura à meia altura em torno de 48 nm. O band gap foi determinado e seus valores variaram entre 4,19 e 4,30 eV. A amostra de composição xAl2O3+(1-x)B2O3 dopada com Eu3+ apresentou a fase cristalina Al4B2O9 identificada com a ficha JCPDS número 29-0010. Grupos AlO6, AlO4, BO4 e BO3 foram identificados pelos espectros de absorção na região do infravermelho. Os espectros de emissão na região do visível mostraram um ambiente homogêneo de baixa simetria e a amostra com maior emissão foi a de composição 0,66Al2O3+0,34B2O3 tratada a 900 °C (x=0,66). Foi medido o tempo de vida da transição do estado 5D0 dos íons Eu3+, e seus valores estão entre 1,4 e 2,1 ms. O band gap das amostras também foi determinado e seus valores ficaram entre 3,72 e 4,42 eV. Nas amostras dopadas com Nd3+/Yb3+, uma eficiente transferência de energia entre os íons foi observada e a melhor concentração relativa dos terras-raras foi de 1Nd3+ para 2Yb3+. Em suma, os materiais estudados são excelentes candidatos para aplicação como luminóforos em diversas tecnologias, tais como diodos emissores de luz (LED´s) e displays.

A complexidade da reação de redução do oxigênio (RRO) e suas perdas de potencial a fazem responsável por grande parte das perdas de eficiência nas células a combustível. Para esta reação o eletrocatalisador mais apropriado e com melhor desempenho é a Platina, um metal nobre e que torna alto o custo da tecnologia das células a combustível, aumentando as barreiras para entrar no mercado. Primeiramente o trabalho teve em vista reduzir a quantidade em massa de platina utilizada no cátodo, sendo substituída por óxidos de terras raras. Observando que os métodos mais comuns de síntese de eletrocatalisadores para a aplicação em células a combustível se realizam em enumeras etapas, este trabalho se propôs a preparar eletrocatalisadores através de etapas mais simples e que dependessem de menos etapas e tempo de preparo. Através da mistura física simples utilizando ultrassom foram preparados eletrocatalisadores de platina suportada em carbono com os óxidos das terras raras lantânio, cério e érbio, para o estudo em meia célula da RRO. O resultado do gráfico de Koutecky-Levich mostrou que entre os eletrocatalisadores preparados o Pt80Ce20/C foi o que apresentou atividade catalítica mais próxima da platina comercial BASF, sugerindo que a RRO aconteceu via 4 elétrons. Como encontrado na em alguns trabalhos da literatura, entre as terras raras aplicada no cátodo, o cério é o elemento que mais contribui para esta substituição, devido a sua capacidade de estocar e fornecer oxigênio. Esta característica é um grande atrativo para a RRO pois esta reação é primeira ordem em relação a concentração de oxigênio. O resultado mostrou que é possível diminuir a quantidade de platina mantendo atividade catalítica. / The complexity of the oxygen reduction reaction (ORR) and its potential losses make it responsible for the most part of efficiency losses at the Fuel Cells. For this reaction the electrocatalyst witch is most appropriated and shows better performance is platinum, a noble metal that elevates the cost, raising barriers for Fuel Cells technology to enter the market. First this work focuses on reducing the amount of platinum used in the cathode, by being replaced by rare earths. The most common methods of synthesis involves a large amount of steps and this work proposed to prepare the electrocatalyst through a simpler way that would not take so many steps and time to be done. Using an ultrasound mixer the electrocatalyst was prepared mixing platinum supported on carbon black and the rare earths lanthanum, cerium and erbium oxides to be applied in a half-cell study of the ORR. The Koutecky-Levich plots shows that among the electrocatalysts prepared the Pt80Ce20/C had the catalytic activity close to the commercial BASF platinum on carbon black, suggesting that the reaction was taken by the 4-electron path. As found in some works in literature, among the rare earth used to study the ORR, cerium is the one witch shows the better performance because it is able to store and provide oxygen. This feature is of great interest for the ORR because this reaction is first order to the oxygen concentration. Results show that is possible to reduce the amount of platinum maintaining the same electrocatalyst activity.

Este trabalho enfocou o levantamento de informações químicas e mineralógicas de detalhe em amostras de depósitos alcalinos e alcalino carbonatíticos brasileiros contento terras raras, de modo a fornecer subsídios para o desenvolvimento de processos de aproveitamento. Estes depósitos apresentam elevados volumes de recursos, baixos teores de elementos de terras raras (essencialmente terras raras leves) e elevada complexidade mineralógica. As amostras estudadas são provenientes de depósitos lateríticos, com teor total de óxidos de terras raras entre 1,27 e 6,45%, sendo a monazita o principal mineral portador desses elementos, exceto em uma das amostras, onde é predominante a bastnaesita; como minerais traços estão presentes cerianita, xenotima e um fosfato de escândio. Os minerais de terras raras tendem a concentrar-se em direção às frações granulométricas mais finas, mostram d50 de 15 µm nas frações acima de 0,008 mm e chegam a valores inferiores a 0,1 µm abaixo da mesma. Esses minerais ocorrem preferencialmente em íntimas associações com a ganga, sendo que valores superiores a 60% de liberação (em área) são observados apenas nas frações menores que 0,020 mm. O potencial de concentração desses minerais foi avaliado por separações físicas e extração hidrometalúrgica. Separações físicas em líquidos densos e magnéticas não possibilitaram a obtenção de produtos enriquecidos em terras raras. O resultado mais promissor refere-se à possibilidade de remoção de um produto contaminante magnético nas frações retidas em 0,020 mm e que responde por 30% do total de Fe2O3 contido nas amostras (em média), sem perdas significativas das terras raras. A condição experimental otimizada para a dissolução seletiva dos minerais de terras raras em meio ácido foi estabelecida a partir de um planejamento experimental baseado em princípios estatísticos. Para o material cominuído abaixo de 0,30 mm, a solubilização dos óxidos de terra raras é de 77%, considerando-se ácido sulfúrico concentrado, reduzida porcentagem de sólidos, temperatura ambiente e tempo de 4 horas. Maiores níveis de solubilização das terras raras podem ser alcançados, mas juntamente com elevação da solubilização da ganga. / This work focused on the acquisition of chemical and mineralogical detailed information in samples from Brazilian alkaline and alkaline-carbonatitic deposits containing rare earths, in order to provide subsidies for process development. These deposits present high volumes of resources, low contents of rare earth elements (essentially light rare earths) and high mineralogical complexity. The studied samples are lateritic materials, with a total content of rare earth oxides between 1.27 and 6.45%, being monazite the main rare earth bearing mineral, except in one of the samples, where bastnaesite is predominant; cerianite, xenotime and a scandium-phosphate occur as trace. Rare earth minerals tend to enrich toward the finest sieve fractions with an medium grain size of 15 µm in the fractions greater than 0.008 mm and decreasing below 0.1 µm in finer fractions. These minerals occur preferentially in intimate associations with the gangue; liberation greater than 60% (in area) are observed under 0.020 mm fractions. The concentration potential of these minerals was evaluated through physical separation and hydrometallurgical extraction. Physical separations (heavy liquid and magnetic) did not succeed in obtaining products enriched in rare earths. The most promising result were the possibility of removing magnetic phases above 0.020 mm (responsible for 30%, on average, of the total Fe2O3 contained in the samples) without significant losses of rare earths. The rare earths acid leaching protocols and conditions were established by statistical experimental design. For samples comminuted below 0.30 mm, the best rare earths solubilization (77%) and with minimum gangue leaching was obtained in concentrate sulfuric acid, low solids concentration, environmental temperature and four hours of reaction. Higher levels of rare earths solubilization can be achieved, however accompanied by higher gangue solubilization.

Neste trabalho são apresentados os resultados da caracterização espectroscópica da matriz vítrea CASM, cuja composição é 47,4% CaO, 41,5% Al2O3, 7,0% SiO2 e 4,1% MgO dopada com Nd3+, e também da matriz vítrea PbF, com composição 30PbF2-20GaF3-15InF3-15ZnF2-20CaF2 dopada com Pr3+ e Pr3+/Yb3+. A caracterização tem por objetivo avaliar tais vidros dopados com íons lantanídios, como meios atrativos para sistemas laseres de quatro níveis, com emissões em 1076nm (4F3/2 &#8594 4I11/2 do Nd3+), 1300nm (1G4 &#8594 3H5 do Pr3+) e na região do visível e ultravioleta próximo. As propriedades espectroscópicas são discutidas a partir dos espectros transmitância e absorção; espectros de emissão no infravermelho e no visível, tempos de vida dos níveis emissores em 1076nm (Nd3+) e 1300nm (Pr3+); espectros de Raman das matrizes e cálculos dos parâmetros fenomenológicos (&#937&#955) da teoria de Judd-Ofelt tanto para o Nd3+ quanto para o Pr3+. No caso do Pr3+ é considerada uma diferente atribuição para o nível (1I6 e avalia-se a inclusão dos &#937&#955, com &#955 ímpares, nos valores das forças de oscilador calculadas. Também avalia-se os processos de transferência de energia Pr3+ &#8594 Yb3+ nos vidros PbF. Tanto a matriz quanto os vidros CASM dopados com Nd3+ mostram transmissão no infravermelho até 4,5&#956m. O Nd3+ nessa matriz apresenta bandas de absorção largas e intensas em 800 e 590nm, ideais para bombeio com laser de diodo e laser de corante, respectivamente. A emissão em 1076nm apresenta supressão da luminescência a partir da concentração de 1% de Nd2O3 para o bombeio em 514nm (300 e 77K) e, a partir de 2,5% para o bombeio em 800nm (300 e 77K), devido a processos de relaxação cruzada e decaimento via fônons. Observam-se emissões na região do visível somente via processos de conversão ascendente de energia. Os parâmetros espectroscópicos mostram uma eficiência quântica (calculada a partir dos tempos de vida radiativo e experimental) de 95% para a emissão em 1076nm e um tempo de vida radiativo de 320 &#956s, sendo de 300&#956s o obtido experimentalmente para a amostra com 0,5% de Nd2O3. A partir desses resultados espectroscópicos, das propriedades mecânicas (microdureza de 800MPa), temperatura de transição vítrea de 750&#176C, ausência de água na matriz e estabilidade química, os vidros CASM podem ser considerados como promissores para serem usados como meio ativo para laseres de estado sólido. Em testes preliminares foi observada a emissão laser em 1076nm, com bombeio pelas linhas em 514 e 800nm de um laser de Ti:Safira. A eficiência é maior quando a linha de 800nm é empregada, pois a perda via processos de relaxação cruzada é menor. Os vidros PbF, tanto a matriz como os dopados com Pr3+ e Pr3+ /Yb3+, apresentam uma transmissão no infravermelho até 8,8&#956m. A emissão em 1300nm do Pr3+ é pouco intensa, pois o coeficiente de absorção em 980nm (usado para a excitação) é pequeno. Não é observada a emissão em 1300nm a partir de excitações em 514 e 800nm. A inclusão do Yb3+ no vidro com 1% de Pr3+ aumenta em até 40 vezes a área integrada sob a banda de emissão em 1300nm. Cálculos da probabilidade de transferência de energia mostram que o processo Yb3+ &#8594 Pr3+ é 8 vezes mais provável que o processo de retro-transferência. Os cálculos dos parâmetros de Judd-Ofelt (Pr3+) apresentam valores negativos de &#9372. Somente quando os cálculos são realizados com a aproximação de Florez e Malta (reatribuição da posição do nível 1I6 e inclusão dos &#937&#955 com &#955 ímpares), é que todos os parâmetros apresentam valores positivos e o erro no valor da força de oscilador calculada é minimizado. Em termos da emissão em 1300nm e estabilidade química, os vidros PbF dopados com Pr3+/ Yb3+ são promissores para serem empregados em amplificadores ópticos. / This work presents the spectroscopic study results of the glass matrices CASM (47,4% CaO, 41,5% Al2O3, 7,0% SiO2 and 4,1% MgO doped with Nd3+) and PbF (30PbF2-20GaF3-15InF3-15ZnF2-20CaF2 doped with Pr3+ and Pr3+/Yb3+). The objective was to evaluated theses matrices as four level lasers active media, with laser emissions in 1076nm (4F3/2 &#8594 4I11/2 of the Nd3+), 1300nm (1G4 &#8594 3H5 of the Pr3+) visible and near UV spectral regions. The results are discussed based on spectra of transmittance, absorption, infrared, visible and upconversion. Besides the lifetime of 4F3/2 (Nd3+) and 1G4 (Pr3+</sup), the Raman spectra, the phenomenological parameters calculation of Judd-Ofelt theory to Nd3+ and Pr3+ and energy transfer between Pr3+ &#8594 Yb3+ are discussed too. Both, the CASM matrix and the samples doped with Nd3+, show infrared edge at 4,5&#956m. The absorption spectra show broad and strong bands at 800 and 590nm, ideal for pumping it with diode and dye lasers, respectively. The emission in 1076nm show luminescence quenching from 1.0% of Nd2O3, for the pumping at 514nm (300 and 77K), and from 2,5% for the pumping at 800nm (300 and 77K). Due to the cross-relaxation process and multi phonos decay. The emissions in the visible spectral region are observed only by upconversion way. Calculated quantum efficiency of 0.5% Nd2O3 sample for 1076nm emission by Judd-Ofelt model was 95%. The radiative lifetime of 4F3/2 (1076nm) is 320#956s and the experimental one is 300&#956s, for the same sample. From these spectroscopic results and other properties such as microhardness (800MPa), glass transition temperature (750&#176C), waterless samples preparation and chemical stability, the CASM glasses can be considered as an appropriate to laser active medium or windows to optical applications. Laser action at 1076nm was observed with pumping in 514 and 800nm with a Ti:Saphire laser. The efficiency is higher when the pumping is 800nm. Both, the PbF matrix and the Pr3+ and Pr3+ /Yb3+ doped samples, show infrared adge at 8,8&#956m. The emission at 1300nm (Pr3+) is weak due to the low absorption coefficient at 980nm. Was not observed emission at 1300nm with the pumping at 514 and 800nm. The Yb3+ inclusion in the 1% Pr3+ sample increase 40 times the integrated área under the emission banda t 1300 nm compared with the samples without Yb3+. Calculations of energy transfer probabiblity show that the process Yb3+ &#8594 Pr3+ is 8 times more probable than Pr3+ &#8594 Yb3+. The Judd-Ofelt calculations to Pr3+ result in negatives values to &#9372. Only when the Florez and Malta approximations are taken into account the values are positives and the calculated oscillator strength error is minimized. From the emission at 1300nm and chemical stability, the PbF glasses doped with Pr3+/ Yb3+ are candidates to be employed in optical amplifiers.

Neste trabalho estudamos as propriedades eletrônicas de sistemas compostos de certos elementos de terras raras. Estes sistemas apresentam propriedades físicas anômalas em decorrência da interação entre os elétrons 4f e os elétrons de condução . Eles são conhecidos como sistemas de valência intermediária, sistemas Kondo, ou, quando a baixas temperaturas apresentam massas efetivas eletrônicas muito grandes, como sistemas de férmions pesados. O hamiltoniano modelo para a descrição teórica desses sistemas é o ilamiltoniano Periódico de Anderson. Nossa abordagem ao problema é de tratar perturbativamente a energia cinética dos elétrons de condução no hamiltoniano modelo pelo uso de funções de Green em uma aproximação que desacopla médias de operadores em um dado sítio em produtos de médias de pares de operadores neste sítio. Utilizando esta técnica calculamos a densidade de estados eletrônica, a susceptibilidade estática magnética e o calor especifico eletrônico. Os resultados concordam qualitativamente com os experimentos em sistemas de Ce. / In this work we study the electronic properties of systems composed of certain rare-earth elements. These systems present anomalous physical properties due to the interaction between the 4f-electrons and the conduction electrons. They are known as intermediate valence systems, Kondo systems, or heavy-fermion systems, in the case of large electronic effective masses at low temperatures. The model Hamiltonian used in the theoretical description of these systems is the Perioclic Anderson Hamiltonian. Our approach to the problem consists in treating perturbatively the kinetic energy of the conduction electrons in the model Hamiltonian. This is done through the use of Green's functions in an approximation that decouples single site operator averages in products of operator pair averages. With this technique we calculate the electronic density of states, the static magnetic susceptibility and the electronic specific heat. The results agree qualitatively with experiments in Ce systems.

O objetivo principal desse trabalho é estudar o processo de solidificação e da formação de fases de uma liga de magnésio contendo elemento Terras Raras (Mg-6Al-3La-1Ca), submetida a diferentes níveis de superaquecimento. Para isso, foi utilizado um sistema de solidificação unidirecional ascendente com atmosfera controlada. Termopares foram utilizados para monitorar a evolução térmica dos lingotes, que foram resfriados de forma lenta (convecção natural) e de forma rápida (convecção forçada com água refrigerando a base). Pôde-se, então, determinar as temperaturas de transformação da liga (temperaturas solidus e liquidus). Além disso, foram identificadas as formações da matriz α-Mg, dos compostos de forma acicular Al11La3, e dos eutéticos Mg2Ca e (Al,Mg)2Ca, além de uma fina estrutura dispersa pela matriz indicando ser provavelmente Al2Ca. O superaquecimento mostrou forte influência na morfologia quando aliado ao resfriamento rápido. Para maiores valores de superaquecimento a formação de fases contendo Lantânio foi majorada e a formação de estruturas eutéticas contendo Cálcio foi retardada. Equações correlacionando parâmetros struturais e térmicos foram geradas mostrando conformidade com a literatura. / This work aimed to study the solidification process and phase formation of a magnesium alloy containing rare earth elements (Mg-6Al-3La-1CA) subjected under different values of superheating. For this, it was used an unidirectional solidification system with a controlled atmosphere. Thermocouples were used to follow up the thermal evolution of the ingots, in both, slow cooling condition (using natural convection) and fast cooling condition (using water in the base to cooling the ingots). So it was then determined the transformation temperatures of the alloy (solidus and liquidus temperatures). Furthermore, it was identified the formations of α-Mg matrix, the compounds of Al11La3 (acicular form), and the eutectic Mg2Ca and (Al, Mg)2Ca, and a fine structure dispersed through the specimen indicating, probably, to be Al2Ca. Superheating has showed strong influence on morphology when combined with rapid cooling. For larger values of superheating the formation of phases containing lanthanum was increased and the formation of eutectic structures containing calcium was delayed. Correlation between thermal parameters and microstructure were made and the results agreement with the literature.