Deposito por láser pulsado y evolución estructural de nanocapas de BaF2 en películas delgadas de nanocompuestos ópticos en capas BaF2/Al2O3 dopados con Eu

13 Jul, 2022 | LPG

Controlando la formación de nanocristales del fluoruro de bario dopados con Europio (BaF2:Eu) para su integración en futuros dispositivos ópticos tales como LEDs.

Ventajas y aplicaciones del fluoruro de bario

El fluoruro de bario es un compuesto muy valioso gracias a sus especiales propiedades ópticas. Es transparente en el rango espectral del ultravioleta al infrarrojo medio (hay muy pocos compuestos transparentes a la luz ultravioleta) y tiene un índice de refracción bajo que sirve para reducir las pérdidas por reflexión en la fabricación de lentes y otros componentes ópticos.

El BaF2 también se puede utilizar como “centellador” para la detección en física de alta energía y diagnóstico médico, el material puede absorber la radiación ionizante de rayos X, rayos γ o partículas α y β y convertirlos en varios fotones de luz visible, lo que causa el centelleo que sirve para detectar las otras partículas.

Además, después de la adición de dopantes de tierras raras, el BaF2 puede utilizarse como emisor de luz para incorporarlo en celulas solares, dispositivos de bioimagen o diodos emisores de luz (LEDs).

esquema con un corte de las capas en las que se ve el orden que ocupan y otro esquema en el que se ve cómo se deposita el material en distintos recipientes

Esquema del procedimiento de crecimiento de las capas

Los fluoruros en general son compuestos especialmente adecuados para doparlos con iones de tierras raras (Eu, Er, Tb, etc.) para aplicaciones de luminiscencia (emisión de luz) ya que la eficiencia de la emisión es especialmente alta debido a su baja energía de fonones (vibraciones de la estructura cristalina). Estos fonones son la causa de pérdidas de energía en otros compuestos, como los óxidos por ejemplo, que consiguen una menor luminiscencia cuando son excitados con la misma energía.
Entre los materiales de fluoruro dopados con tierras raras en los que se ha explorado este comportamiento, BaF2 con dopantes de Eu ha mostrado un excelente comportamiento de fotoluminiscencia, con capacidad de emitir luz roja Eu3+, emisión azul Eu2+ y emisión multifotónica, gracias a su capacidad de recibir un fotón de alta energía y emitir dos, lo que permite eficiencias de conversión de fotones superiores a la unidad.

Control de la estructura de las nanoestructuras

Para poder utilizarlos en componentes ópticos miniaturizados es importante controlar la estructura de estos materiales, dónde se sitúan los iones de tierras raras (Eu en este caso) y la estructura cristalina del compuesto, que determinará las propiedades ópticas del conjunto.
Una forma de controlar la interacción entre los iones de tierras raras y el material huésped es fabricarlos formando láminas muy delgadas,de unos pocos nanómetros del material, formando así nanocompuestos en capas alternas de dopantes de tierras raras y el material huésped. De esta forma además se consigue controlar la estructura del fluoruro y el tipo de cristal que se forma.

Como se puede imaginar, depositar capa sobre capa de películas uniformes de un espesor de pocos nanómetros no es una tarea fácil, y anteriormente se han probado distintas técnicas que sufren ciertas limitaciones que las hacen inadecuadas para la investigación presentada en este artículo.

El trabajo

Este equipo investigador ha desarrollado por primera vez una técnica de deposición por láser pulsado (PLD) que permite el crecimiento de películas delgadas a nanoescala y uniformes de BaF2, mediante el control de las condiciones de deposición que permite esta técnica.

El objetivo del equipo es desarrollar el uso de capas de BaF2 con estructura controlable como capas que formen parte de nanocompuestos ópticos. El estudio ha encontrado que estructura de la nanocapa de BaF2 evoluciona en función del grosor de la capa: para un espesor menor de 3 nm. las capas son amorfas (sin orden interno) y luego en el material amorfo se van formando nanocristales de tamaños crecientes a medida que aumenta el espesor de la capa. Estos nanocristales de BaF2 tienen una estructura de cristal FCC (red cúbica con átomos en el centro de las caras).
estructura de cristal FCC (red cúbica con átomos en las esquinas y el centro de las caras)
Las muestras de sección transversal de las películas multicapa muestran una cierta mezcla entre las capas de fluoruro y de Europio, que está relacionada con la forma de implantación durante el proceso de PLD. Esta mezcla permite la incorporación de iones de Eu en los nanocristales de BaF2 formados y conseguir así una fina nanocapa de BaF2 dopada con Eu en la interfaz. Estas películas de nanocompuestos en capas muestran emisión de fotoluminiscencia (PL) de iones Eu3+, que se ve modificada por los cambios de cristalinidad y tamaño de cristal en la capa de BaF2 y son adecuadas para la integración en dispositivos ópticos.
vista de mocroscopio de los nanocristales dentro del material amorfo

Los nanocristales formados de BaF2 están marcados en amarillo. Fijarse en la escala de unos pocos nm en las imágenes.

Este es un trabajo de investigación en el que han colaborado el Materials Science and Engineering Department de la Northwestern University (Evanston, IL,USA), la Materials Science Division
del Argonne National Laboratory (IL, USA), el Mechanical, Aerospace and Biomedical Engineering Department de la University of Tennessee Space Institute, (Tullahoma, TN 3, USA) y el Grupo de Procesado por Láser del IO-CSIC.

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