O efeito dos íons cobalto/cobre nas propriedades estruturais, térmicas, ópticas e de emissão de vidros de borato de chumbo e érbio-zinco

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12260 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Uma rede hospedeira de vidro de 70B2O3–10Pb3O4–18ZnO–2Er2O3 (ErCoCu1) foi proposta e o impacto de 1 mol% de íons Co ou/e Cu em suas propriedades estruturais, térmicas, ópticas e de emissão verde foi estudado extensivamente. Os espectros de difração de raios X confirmaram a estrutura amorfa dos vidros produzidos. O comportamento dos parâmetros de densidade e baseados em densidade mostrou que os íons Co e/ou Cu preenchem as posições intersticiais da rede ErCoCu1 proposta, causando sua compactação. Tanto o ATR-FTIR quanto o Raman Spectra afirmaram a formação das unidades estruturais fundamentais da rede de borato, ligação B – O – B, BO3 e BO4. Além disso, a penetração de íons Co e/ou Cu dentro do ErCoCu1 converte as unidades tetraédricas de BO4 no triângulo BO3 causando sua riqueza por oxigênios sem ponte. A adição de Co e/ou Cu reduz a temperatura de transição vítrea como resultado da conversão das unidades BO4 em BO3. Os espectros de absorção óptica para o vidro hospedeiro ErCoCu1 mostraram muitas das bandas de absorção distintas do íon Er3+. A penetração do íon Co gera duas bandas largas referentes à presença de íons Co2+ na coordenação tetraédrica e octaédrica e de íons Co3+ na coordenação tetraédrica. Nos vidros dopados com Cu foram observadas as bandas de absorção características de Cu2+ e Cu+. Uma emissão verde foi gerada a partir do vidro ErCoCu1 sob comprimento de onda de excitação de 380 nm. Além disso, nenhum efeito significativo de Co e/ou Cu nos espectros de emissão foi registrado. Os vidros considerados apresentaram propriedades adequadas qualificando-os para aplicações em optoeletrônica e óptica não linear.

Os múltiplos estados de oxidação dos TMIs de íons metálicos de transição enriquecem as redes de vidros com muitas propriedades ópticas, elétricas e magnéticas . Opticamente, os TMIs conferem diversas cores especulares às redes de vidro, fazendo com que tenham alta capacidade de absorção óptica nas diferentes regiões do espectro eletromagnético como UV, visível e IR . Do ponto de vista da fotoluminescência, os TMIs geram amplas bandas de emissão que possuem comprimento de onda ajustável e rendimento quântico apropriado . Elétrica e magneticamente, os múltiplos estados de oxidação dos TMIs trazem modificações substanciais nas unidades estruturais das redes de vidro, influenciando o grau de liberdade e o spin da carga, que por sua vez afetam diretamente o processo de condução e a natureza elétrica e magnética da rede de vidro9,10 . Conseqüentemente, os TMIs contendo vidro têm aplicações significativas em fotônica, eletrônica, optoeletrônica e domínios magnéticos, como diodos emissores de luz, filtros ópticos, lasers de estado sólido, eletrônica de comutação de memória, baterias superiônicas, catálise, dispositivos eletrônicos inteligentes e informações magnéticas. armazenamento11,12,13. Os íons de cobalto (Co2+/Co3+) e cobre (Cu+/Cu2+) são dos íons de metais de transição mais distintos no aprimoramento das propriedades de várias redes de vidro. A formação dos estados de valência mistos de íons de cobalto (Co2+/Co3+) em formas geométricas octaédricas (oh) e tetraédricas (Td) dentro da rede de vidro torna-o um material favorável em absorvedores seletivos solares, células de combustível, materiais visíveis e de laser NIR. , supercapacitores, sensores de gás e baterias de íons de lítio. O cobalto confere ao vidro uma cor azul ou rosa dependendo da coordenação da forma geométrica do íon Co2+ (tetraédrico ou octaédrico) 14,15,16. A adição de íons Cu às redes de vidros gera dois estados de valência, Cu+ e Cu2+, durante o processo de preparação em condições normais. Os íons Cu geralmente adicionam uma cor azul ou verde à rede de vidro. Em geral, a formação do íon cobre divalente Cu2+ pode ser determinada com base na cor formada no vidro. Além disso, o íon Cu2+ forma uma ampla banda de absorção na faixa do infravermelho próximo do visível que geralmente surge devido à coordenação octaédrica do Cu2+, enquanto o íon cuproso (cobre monovalente) Cu+ possui uma banda de absorção distinta na região UV. Essas bandas de absorção são geralmente utilizadas para detectar a presença de Cu+ e Cu2+ na rede vítrea1,3,4,7. Os íons de terras raras RE3 + possuem propriedades únicas, a principal delas é a propriedade da fotoluminescência, o que os tornou dominantes em muitas aplicações fotônicas e optoeletrônicas . O íon Er3+ está entre os íons de terras raras que se caracteriza por sua riqueza em níveis de energia, o que o tornou um emissor de luz único para diversas regiões do espectro, como luz azul, verde, vermelha e branca . O vidro borato é uma das redes de vidro mais comuns devido à sua alta transparência e alta estabilidade térmica, além de seu baixo ponto de fusão, o que facilita seu processo de fabricação. Porém, devido à sua alta energia de fônons, que afeta negativamente o rendimento quântico da fotoluminescência, o vidro borato é reforçado com óxidos de metais pesados ​​como PbO e Bi2O319,20. Por outro lado, a adição de PbO melhora as propriedades mecânicas, térmicas e ópticas da rede de vidro borato . Geralmente, a rede de vidro borato, especialmente aqueles reforçados com íons de metais pesados, é um hospedeiro único para todos os aditivos de vidro, como íons alcalinos (Li+, Na+, etc.), íons alcalino-terrosos (Sr2+, Ba2+, etc.), íons de metais de transição (Zn2+, Co2+/Co3+, Cu+/Cu2+, etc.), íons metálicos pós-transição (Al3+, Bi3+, etc.) e íons de terras raras (Er3+, Yb3+, etc.)21,22. Tendo em conta as suas características únicas acima mencionadas e a multiplicidade de propriedades que conferem às redes de vidro, dependendo da concentração, tipo de rede de vidro e método de preparação, os estudos continuam a explorar o papel eficaz dos iões de metais de transição na melhoria das propriedades do vidro. melhorar seu desempenho tecnológico em diversas áreas. Em 2023, OI Sallam et al. estudaram o impacto de quatro íons de metais de transição (CuO, CoO, Fe2O3 e NiO) na fotoluminescência (PL) e nas propriedades dielétricas do 20NaF – 60P2O5 – 20Na2O. Os autores descobriram que a adição de CuO e Fe2O3 melhora os parâmetros dielétricos do vidro considerado, enquanto CoO e NiO reduzem a condutividade CA. Seu vidro base gera bandas de emissão em 480 e 530 nm através do bombeamento por comprimento de onda de excitação de 457 nm. A posição e intensidade das bandas de emissão dependeram fortemente do tipo de dopante de metal de transição. Kun Lei et al. preparou em 2023 o vidro base Na2O–B2O3–SiO2 por troca iônica e estudou a influência dos íons Cu+ em suas propriedades estruturais e de luminescência. Uma banda larga azul esverdeada centrada em 468 nm foi gerada sob comprimento de onda de excitação de 290 nm e sua intensidade variou com o aumento do tempo de troca iônica .