Synthesis and optical spectroscopy of Nd3+ and Sm3+ doped stable phases in the system Y2O3-Al2O3

Abstract

O desenvolvimento de materiais luminescentes dopados com terras raras tem sido alvo de muitas pesquisas para aplicações em diversas áreas como na fabricação de lasers de estado sólido, em fotônica, fabricação de displays, aplicações médicas e outros. Matrizes no sistema Y2O3-Al2O3 têm se mostrado interessantes para hospedar centros luminescentes. Este sistema possui três fases cristalinas estáveis: Y3Al5O12 (YAG), YAlO3 (YAP) e Y4Al2O9 (YAM); dentre elas, o YAP e YAG são amplamente estudadas e utilizadas para fabricação de lasers do estado sólido. Neste trabalho, utilizando o método de precursores poliméricos, sintetizamos essas três fases dopadas com os terras raras Nd3+ e Sm3+ em concentrações de 0,5 e 1% de substituição de átomos de Y3+. Análises de difrações de raios X e absorção no infravermelho confirmaram a obtenção das fases cristalinas. Imagens de microscopia eletrônica de transmissão mostram tamanho de grãos entre 80 e 300nm. Através das análises de fotoluminescência, verificamos forte dependência dos espectros de emissão com as simetrias dos sítios cristalinos das três matrizes.The development of rare earths luminescent materials has been subject of many research works searching for technological applications in the manufacture of solid-state lasers, photonic and biomedical devices, manufacturing of displays, and others. The system Y2O3-Al2O3 has three stable crystalline phases: Y3Al5O12 (YAG), YAlO3 (YAP) and Y4Al2O9 (YAM). Among them, YAP and YAG are widely studied and used in the manufacture of solid-state lasers. In this work, we used the modified polymeric precursor method to synthesize YAG, YAP, and YAM doped with 0.5 and 1% of Nd3+ and Sm3+ ions replacing Y3+. Analysis of X ray diffraction and vibrational spectroscopy confirmed the achievement of crystalline single phases. Transmission electron images show grain sizes ranging from 80 to 300 nm. We verified a strong influence of the different matrices symmetries on the optical emission of these rare earths photoluminescent ions