Efeitos de altas pressões nas propriedades estruturais e luminescentes de vidros silicatos de cálcio dopados e co-dopados com terras raras

Abstract

Resumo: Os vidros desempenham um papel preponderante em múltiplos contextos do cotidiano. Aprofundar a compreensão dos efeitos da densificação, via compressão hidrostática, nas estruturas e propriedades dos vidros emerge como um fator crítico para discernir os impactos das solicitações mecânicas em uma escala atômica. Estes efeitos, por sua vez, podem tanto potencializar quanto restringir suas aplicações concretas. Com o intuito de produzir vidros cada vez mais adaptados para suas respectivas finalidades, torna-se imperativo investigar como esses sistemas reagem sob extremas condições de pressão. Adi-cionalmente, otimizar a eficácia de fontes de energia limpa, exemplificadas por painéis solares, pode ser alcançado mediante o aperfeiçoamento dos mecanismos de transferência de energia em matrizes vítreas que contenham íons de terras raras, como o par Nd3+/Yb3t. Neste estudo, preparamos e procedemos a análise de matrizes vítreas Silicatos de Cálcio e Sódio, as quais foram dopadas e co-dopadas com íons terras raras. Estes sistemas foram então submetidos a condições de pressão extremamente elevadas por meio de células de bigorna de diamante, empregadas como dispositivos geradores de pressão hidrostática. No primeiro caso, uma amostra dopada com Eu+ foi investigada até uma pressão máxima de 30,28 GPa. O estudo das mudanças nas características estruturais e luminescentes, à medida que a pressão aumenta, foi empreendido in situ através de técnicas como espectroscopia Raman e de luminescência. Os resultados obtidos para esta amostra mostraram uma notável incompressibilidade do sistema, revelando transições amorfa-amorfa que denotam a conversão dos arranjos tetraédricos em estruturas poliédricas altamente coordenadas. Este processo culminou em uma fase metaestável suscetível a colapsos sob pressões mais elevadas. A amostra recuperada subsequente ao ciclo de compressão exibiu uma densificação permanente, hysteresis, acompanhada pela precipitação de uma nova fase amorfa estável em condições de pressão ambiente. Na segunda amostra deste estudo, optamos pela co-dopagem de íons de Nd't e Yb3t. Sob uma pressão máxima de 18,40 GPa, efetivamos uma investigação in situ das alterações em suas propriedades de emissão, utilizando a espectroscopia de luminescência. Adicionalmente, exploramos o impacto da compressão no mecanismo de transferência de energia entre os íons co-dopantes. Os resultados obtidos a partir dos espectros de emissão, conforme a pressão aumenta, indicaram um processo de aproximação dos níveis de energia excitados dos íons de neodímio e itérbio, fomentando uma transferência de energia por conversão descendente e, por conseguinte, intensificando a eficiência de emissão do itérbio. Ao término deste estudo, constatou-se que a amostra recuperada também manifestava densificação, consolidando assim os achados da presente pesquisa.

Abstract: Glass materials are ubiquitous in daily life, finding prominent application in various areas. Unraveling the implications of densification on the structures and properties of glasses assumes significance in decoding the atomic-scale responses to high mechanical demands that can either enhance or impair their utility. For the pursuit of progressively fitting and robust glass formulations, an investigation into the behavior of these systems under extreme pressure conditions stands as imperative. Furthermore, the optimization of clean energy modalities such as solar cell panels hinges upon refining energy transfer processes within co-doped glassy matrices employing rare-earth ions, a paradigm represented by the Nd+/Eu+ pair. This study delves into glass matrices of Calcium Sodium Silicates, doped and co-doped with rare-earth ions, subjected to of extreme pressure alongside ambient temperature. In situ experimentation is conducted, leveraging diamond anvil cells (DAC) to wield hydrostatic pressures. The maiden specimen under scrutiny, doped with Eut , confronts a peak pressure of 30.28 GPa. Structural and luminescent alterations during pressure escalation are explored in situ via Raman and luminescence spec-troscopy. Raman spectroscopy unveils the system's marked incompressibility and transitions, unveiling the metamorphic shift from tetrahedral to highly coordinated polyhedral configurations, culminating in a metastable phase yielding to greater pressures. The recovered sample attests to permanent den-sification, assuming a stable amorphous phase under ambient pressure and temperature. The second sample, Nd't and Yot co-doping, confronts a peak pressure of 18.40 GPa. The shifts in luminescent characteristics under pressure are probed in situ via luminescence spectroscopy, further scrutinizing the impact of compression on energy transfer mechanisms amidst co-doped ions. Emission spectra during pressure increments divulge how compression aligns excited energy levels of neodymium and ytterbium, facilitating energy transfer via downconversion, thereby augmenting ytterbium's emission efficiency. The retrieved sample also corroborates the phenomenon of densification, with permanent hysteresis.