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dc.contributor.advisorPerales-Pérez, Oscar J.
dc.contributor.authorJáuregui-Rosas, Segundo R.
dc.description.abstractThis work report a systematic investigation on the effect of Eu3+ ions on structural and physical properties of nanocrystalline ZnO (nanopowders-NPs and nanocrystals-NCs) and Gd2O3 (NPs and thin films), which were obtained from starting solutions containing Eu(III) species. NPs were synthesized by Sol-Gel method, using 2-ethylhexanoic acid as solvent; NCs were produced through a modified ethanol-based approach at room temperature, whereas thin films were grown by Sol-Gel method and spin coating process, with acetic acid as solvent. No chelating agent was used. In ZnO NPs, XRD and infrared analysis verified the development of the wurtzite structure without any secondary phase. No significant change in the lattice parameters, as could be expected from Eu3+ incorporation, was observed. Main differences between NPs and NCs ZnO came out from their Photoluminescence (PL) behavior. NPs showed a weak red emission (which could be attributed to a direct excitation of the Eu3+ ions, but no to energy transference from the ZnO), but not visible emission under high energy excitation above the band-gap energy of ZnO (which would indicate that free- defects structures were obtained). In turn, both visible broad band and UV emission were observed for NCs. For the same NCs, in addition to an inhibiting growth effect and a blue shift of band gap, an enhancement of the visible/UV emission ratio with the increase in the content of Eu3+ ions in starting solutions was observed. The generation of defects on the surface of NCs could explain this behavior. Moreover, several lines from Eu3+ were detected in the PL spectra of NCs only when the excitation energy was between that broad band for ZnO and that intra-4f transition energy of Eu3+ ions. This feature would suggest no energy transfer from ZnO host to Eu3+ ions, which would be adsorbed at the surface of NCs instead. In Gd2O3 NPs, the effects of the annealing temperature have also been systematically investigated. XRD analysis showed that pure and highly crystalline cubic-Gd2O3 host structure was obtained when the precursors, bearing different contents of Eu3+ species (from 0.01 to 0.30) were annealed at different temperatures in air. The average crystallite size ranged between 29nm and 41nm when the annealing temperature varied from 750oC to 950oC, respectively. The levels of Eu3+ concentration in the host did not affect the corresponding crystallite sizes. PL spectra of Eu3+-doped Gd2O3 NPs showed all transitions of Eu3+, being the 5D0→7F2 transition the most intense. On a common sample-weight basis, it was found that the PL intensity was strongly dependent on both, the annealing temperature and the Eu3+ content. The highest PL intensity was obtained in NPs annealed at 950oC with ‘x’= 0.15 (7.5% w/w of Eu). Unlike to ZnO case, the energy transfer from Gd2O3 host to Eu3+ was clearly verified for all evaluated ‘x’ values, which confirm the actual incorporation of Eu3+ into the Gd2O3 lattice. From M-H measurements a paramagnetic behavior between - 5000 and 5000Oe at room temperature was observed for Eu3+-doped Gd2O3 NPs, whose magnetic susceptibility decreases as the Eu3+ content increases. In turn, XRD showed that Gd2-xEuxO3, thin films with preferential orientation along (400) plane of cubic phase, were obtained. Thin films showed high transparence in the visible region, and their band gap practically was no affected for the Eu3+ content. Also, unlike to NPs, the more efficient excitation to obtain red luminescence was that corresponding to the absorption band of the host Gd2O3 (229nm) for all Eu3+ contents.en_US
dc.description.abstractEste trabajo reporta la investigación sistemática del efecto de iones Eu3+ en las propiedades estructurales y físicas de ZnO (nanopolvos-NPs y nanocristales-NCs) y Gd2O3 (NPs y películas delgadas), obtenidos a partir de soluciones precursoras con diferentes contenidos de Eu(III). Los NPs fueron sintetizados por Sol-Gel, usando 2-ethylhexanoic como solvente, los NCs fueron producidos a través del método modificado Sol-Gel basado en etanol, a temperatura ambiente, mientras que las películas delgadas fueron sintetizados por el método Sol-Gel/spin coating. No se usó agentes gelantes. En nanopolvos de ZnO, XRD y análisis de infrarrojo verificaron el desarrollo de la estructura wurtzita sin fases secundarias. No observándose cambio significativo en los parámetros de red, como podría esperarse debido a la incorporación del Eu3+. Las diferencias principales entre NPs y NCs de ZnO están en su comportamiento en fotoluminiscencia (PL). Los NPs, bajo excitación de alta energía, mayor a la de la banda prohibida de ZnO, mostraron una emisión roja débil (que podría ser atribuida a una excitación directa de los iones Eu3+, pero no a la transferencia de energía desde el ZnO), pero no emisión visible, lo cual indicaría que las estructuras obtenidas son libres de defectos. A su vez, tanto la emisión visible y la emisión UV fueron observadas en los NCs. Para los mismos NCs, además de un efecto inhibidor de crecimiento y un corrimiento al azul de la banda prohibida, se observó un aumento de la razón emisión visible/UV con el incremento en el contenido de iones Eu3+ en las soluciones iniciales. La generación de defectos en la superficie de NCs podría explicar este comportamiento. Además, varias líneas de Eu3+ fueron detectadas en los espectros PL de NCs sólo cuando la energía de excitación estaba entre la correspondiente a banda visible del ZnO y la de transición intra-4f de iones Eu3+. Esto sugeriría la no transferencia de energía desde el ZnO a los iones Eu3+, los cuales estarían adsorbidos en la superficie de los NCs. En los nanopolvos de Gd2-xEuxO3, además del efecto de la concentración de Eu3+, también fue investigado el efecto de la temperatura de recocido. Mediante XRD se demostró que los NPs presentan estructura cúbica pura, y altamente cristalina correspondiente al Gd2O3, cuando los precursores, con diferentes contenidos de Eu3+ (desde 0.01 hasta 0.30), fueron recocidos a diferentes temperaturas en aire. El tamaño promedio del cristalito osciló entre 29nm y 41nm cuando la temperatura de recocido varió desde 750oC hasta 950oC, respectivamente. No se apreció un efecto del contenido de Eu3+. Los espectros PL de los NPs de Gd2-xEuxO3 mostraron todas las transiciones de Eu3+, siendo la transición 5D0→7F2 la más intensa. Se observó que la intensidad PL es fuertemente dependiente de la temperatura de recocido y el contenido Eu3+. La intensidad más alta fue obtenida en NPs recocidos a 950oC con x = 0.15 (7.5%w/w de Eu). A diferencia de lo obtenido en ZnO, la transferencia de energía del Gd2O3 al Eu3+ fue claramente verificado para todo ‘x’ evaluado, lo cual confirma la incorporación de Eu3+ en la red del Gd2O3. A partir de medidas M-H, entre -5000 y 5000Oe, a temperatura ambiente, se observó un comportamiento paramagnético de los NPs de Gd2-xEuxO3, cuya susceptibilidad magnética disminuyó cuando aumentó el contenido de Eu3+. A su vez, XRD mostró que las películas delgadas de Gd2-xEuxO3 presentan orientación preferencial a lo largo del plano (400) de la fase cúbica. Las películas mostraron alta transparencia en la región visible, y su banda prohibida prácticamente no fue afectada por el contenido de Eu3+. Asimismo, a diferencia de los NPs, la excitación más eficiente para obtener luminiscencia roja fue la correspondiente a la banda de absorción del Gd2O3 (229nm) para todos los contenidos de Eu3+.en_US
dc.description.sponsorshipNSF-PREM: Synergistic Research and Education on Functional Nanostructured Materials and The NANOmaterials Processing Laboratory Department of Engineering Science and Materialsen_US
dc.titleEffect of Eu3+ ions content on physical properties of nanocrystalline ZnO and Gd2O3en_US
dc.rights.licenseAll rights reserveden_US
dc.rights.holder(c) 2008 Segundo Rosalí Jáuregui-Rosasen_US
dc.contributor.committeeRadovan, Henri
dc.contributor.committeeTomar, Maharaj S.
dc.contributor.committeeJiménez-González, Héctor
dc.contributor.representativeSundaram, Paul A.
dc.contributor.collegeCollege of Arts and Science - Scienceen_US
dc.contributor.departmentDepartment of Physicsen_US

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