Síntese e caracterização de materiais luminescentes de composição CaAl12O19:Mn

Abstract

Diante do avanço tecnológico, a procura por dispositivos luminescentes sustentáveis, pouco custosos, de síntese fácil e eficientes se tornou uma grande demanda no ramo dos optoeletrônicos. À vista disto, os compostos de aluminato de cálcio dopados com Mn têm atraído significativa atenção devido às suas propriedades físicas, versatilidade e potencial para aplicações tecnológicas variadas. Uma elucidação a isto é que o hexaaluminato de cálcio (CaAl12O19) é um ótimo candidato como matriz hospedeira para o Mn4+, o qual luminesce na faixa do vermelho. Como a síntese do CaAl12O19 é comumente realizada através da reação do estado sólido, a qual é de difícil obtenção e requer altas temperaturas (~1650 °C), uma alternativa é a utilização do método dos precursores poliméricos. Este método permite a síntese de óxidos a baixas temperaturas, menor energia, tamanho de partícula controlada, alta pureza, baixo custo e materiais pouco sofisticados. Neste trabalho, as amostras de CaAl12O19:Mn foram preparadas através do métodos dos precursores poliméricos com aquecimento convencional e com alta taxa de aquecimento, obtendo cristais luminescentes com temperaturas de síntese reduzidas (cerca de 1200 °C). Os difratogramas de raios X mostraram que a temperaturas mais baixas, como 1100 °C, foi notada uma maior presença de fases espúrias, como de Al2O3 e CaAl4O7. Isso ocorre devido a baixa temperatura de cristalização do Al2O3, favorecendo a sua formação em menores temperaturas de síntese, para evitar essa formação foram realizadas sínteses com alta taxa de aquecimento. Notou-se que apenas a queima a alta taxa de aquecimento a temperatura de 1200 °C já reduziu consideravelmente a formação de fases indesejáveis. Análises de fotoluminescência apresentaram um espectro de uma emissão forte no vermelho, centrada aproximadamente em 650 nm, o que mostra que os íons Mn4+ foram inseridos com sucesso nos sítios de Al3+.

In front of technological development, the search for sustainable, inexpensive, easily synthesized and efficient photoluminescent materials is a wide demand in optoelectronics. In this sense, the Mn-doped calcium aluminate compounds have received remarkable attention due to their physical properties, versatility and potential for varied technological applications. In order to clarify this is that calcium hexaaluminate (CaAl12O19) proved to be an excellent candidate for a host matrix for Mn4+ , which luminesces in the red range. As the synthesis of calcium hexaaluminate is commonly carried out through the solid state reaction, which is difficult to obtain and requires high temperatures (~1650 °C), an alternative is to apply the polymer precursor method. This method allows the synthesis of oxides at low temperatures, lower energy, controlled particle size, high purity, low cost and unsophisticated materials. In this work, CaAl12O19 :Mn samples were prepared by the polymer precursor method in the conventional heating rate and with high heating rate, obtaining luminescent crystals at reduced atmosphere temperatures (around 1200 °C). X-ray diffractograms demonstrated that at lower temperatures, such as 1100 °C, was noted a high presence of spurious phases, such as Al2O3 and CaAl4O7 . This presence is associated with the low crystallization temperature of Al2O3 , favoring its formation at smaller synthesis temperatures, to avoid this formation of spurious phases, synthesis was carried out with a high heating rate in the annealing. It was noted that just at a high heating rate at a temperature of 1200 °C already considerably impairs the formation of undesirable phases. Photoluminescence analysis showed a spectrum of strong red emission, centered approximately at 650 nm, which demonstrated that Mn4+ ions were successfully inserted into the Al3+ site.