L'effetto degli ioni cobalto/rame sulle proprietà strutturali, termiche, ottiche e di emissione dei vetri borato-piombo-zinco-erbio

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12260 (2023) Citare questo articolo

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È stata proposta una rete di vetro ospite di 70B2O3–10Pb3O4–18ZnO–2Er2O3 (ErCoCu1) ed è stato ampiamente studiato l'impatto dell'1% in moli di ioni Co e/o Cu sulle sue proprietà strutturali, termiche, ottiche e di emissione verde. Gli spettri di diffrazione dei raggi X hanno confermato la struttura amorfa dei vetri prodotti. Il comportamento dei parametri basati sulla densità e sulla densità ha mostrato che gli ioni Co e/o Cu riempiono le posizioni interstiziali della rete ErCoCu1 proposta, causandone la compattezza. Sia ATR-FTIR che Raman Spectra hanno affermato la formazione delle unità strutturali fondamentali della rete borato, collegamento BO–O–B, BO3 e BO4. Inoltre, la penetrazione di ioni Co e/o Cu all'interno dell'ErCoCu1 converte le unità tetraedriche BO4 nel triangolo BO3, causandone la ricchezza grazie agli ossigeni non a ponte. L'aggiunta di Co e/o Cu riduce la temperatura di transizione vetrosa come risultato della conversione delle unità BO4 in BO3. Gli spettri di assorbimento ottico per il vetro ospite ErCoCu1 hanno mostrato molte delle bande di assorbimento distinte dello ione Er3+. La penetrazione dello ione Co genera due bande larghe che si riferiscono alla presenza di ioni Co2+ sia nella coordinazione tetraedrica che ottaedrica e di ioni Co3+ nella coordinazione tetraedrica. Nei vetri drogati con Cu sono state osservate le caratteristiche bande di assorbimento di Cu2+ e Cu+. Un'emissione verde è stata generata dal vetro ErCoCu1 con una lunghezza d'onda di eccitazione di 380 nm. Inoltre non è stato registrato alcun effetto significativo del Co e/o del Cu sugli spettri di emissione. Gli occhiali considerati avevano proprietà appropriate che li qualificavano per applicazioni di optoelettronica e ottica non lineare.

I molteplici stati di ossidazione degli ioni TMI dei metalli di transizione arricchiscono le reti di occhiali di molte proprietà ottiche, elettriche e magnetiche1,2,3. Otticamente, i TMI conferiscono vari colori speculari alle reti di vetro, conferendo loro un'elevata capacità di assorbimento ottico nelle diverse regioni dello spettro elettromagnetico come le regioni UV, visibile e IR4,5,6. Dal punto di vista della fotoluminescenza, i TMI generano ampie bande di emissione che hanno una lunghezza d'onda regolabile e un'appropriata resa quantica7,8. Elettricamente e magneticamente, i molteplici stati di ossidazione dei TMI apportano modifiche sostanziali nelle unità strutturali delle reti di vetro influenzando il grado di libertà e lo spin della carica, che a loro volta influenzano direttamente il processo di conduzione e la natura elettrica e magnetica della rete di vetro9,10 . Pertanto, i TMI contenenti vetro hanno applicazioni significative nei settori fotonico, elettronico, optoelettronico e magnetico come diodi emettitori di luce, filtri ottici, laser a stato solido, elettronica di commutazione della memoria, batterie superioniche, catalisi, dispositivi elettronici intelligenti e informazioni magnetiche. conservazione11,12,13. Gli ioni cobalto (Co2+/Co3+) e rame (Cu+/Cu2+) sono gli ioni dei metalli di transizione più caratteristici nel migliorare le proprietà di varie reti di vetro. La formazione degli stati di valenza misti degli ioni cobalto (Co2+/Co3+) in forme geometriche ottaedriche (oh) e tetraedriche (Td) all'interno della rete di vetro lo rende un materiale favorevole negli assorbitori selettivi solari, celle a combustibile, materiali visibili e laser NIR , supercondensatori, sensori di gas e batterie agli ioni di litio. Il cobalto conferisce al vetro un colore blu o rosa a seconda della coordinazione della forma geometrica degli ioni Co2+ (tetraedrico o ottaedrico) 14,15,16. L'aggiunta di ioni Cu alle reti di occhiali genera due stati di valenza, Cu+ e Cu2+, durante il processo di preparazione in condizioni normali. Gli ioni Cu solitamente aggiungono un colore blu o verde alla rete di vetro. In generale, la formazione di ioni rame bivalenti Cu2+ può essere determinata in base al colore che si forma nel vetro. Inoltre, lo ione Cu2+ forma un'ampia banda di assorbimento nella gamma del visibile-vicino infrarosso che di solito si forma a causa della coordinazione ottaedrica di Cu2+, mentre lo ione rameoso (rame monovalente) Cu+ ha una banda di assorbimento distinta nella regione UV. Queste bande di assorbimento vengono solitamente utilizzate per rilevare la presenza di Cu+ e Cu2+ all'interno della rete di vetro1,3,4,7. Gli ioni delle terre rare RE3+ possiedono proprietà uniche, la principale delle quali è la proprietà della fotoluminescenza, che li ha resi dominanti in molte applicazioni di fotonica e optoelettronica17,18. Lo ione Er3+ è tra gli ioni delle terre rare caratterizzato dalla sua ricchezza di livelli energetici, che lo rendono un emettitore di luce unico per varie regioni dello spettro come la luce blu, verde, rossa e bianca17,18. Il vetro borato è uno dei reticoli di vetro più comuni grazie alla sua elevata trasparenza ed elevata stabilità termica, oltre al suo basso punto di fusione, che rende semplice il suo processo di fabbricazione. Tuttavia, a causa della sua elevata energia fononica, che influisce negativamente sulla resa quantica della fotoluminescenza, il vetro borato è rinforzato con ossidi di metalli pesanti come PbO e Bi2O319,20. D'altra parte, l'aggiunta di PbO migliora le proprietà meccaniche, termiche e ottiche della rete di vetro borato19,20. In generale, la rete di vetro borato, soprattutto quelli rinforzati con ioni di metalli pesanti, è un ospite unico per tutti gli additivi del vetro come ioni alcalini (Li+, Na+, ecc.), ioni alcalino terrosi (Sr2+, Ba2+, ecc.), ioni di metalli di transizione (Zn2+, Co2+/Co3+, Cu+/Cu2+, ecc.), ioni metallici post-transizione (Al3+, Bi3+, ecc.) e ioni delle terre rare (Er3+, Yb3+, ecc.)21,22. In considerazione delle sue caratteristiche uniche sopra menzionate e della molteplicità di proprietà che conferiscono alle reti di vetro a seconda della concentrazione, del tipo di rete di vetro e del metodo di preparazione, gli studi continuano ad esplorare il ruolo efficace degli ioni dei metalli di transizione nel migliorare le proprietà del vetro migliorare le proprie prestazioni tecnologiche in vari campi. Nel 2023, OI Sallam et al. hanno studiato l'impatto di quattro ioni di metalli di transizione (CuO, CoO, Fe2O3 e NiO) sulla fotoluminescenza (PL) e sulle proprietà dielettriche del 20NaF–60P2O5–20Na2O. Gli autori hanno scoperto che l’aggiunta di CuO e Fe2O3 migliora i parametri dielettrici del vetro considerato, mentre CoO e NiO riducono la conduttività alternata. Il loro vetro di base genera bande di emissione a 480 e 530 nm mediante pompaggio mediante lunghezza d'onda di eccitazione di 457 nm. La posizione e l'intensità delle bande di emissione dipendevano fortemente dal tipo di metallo di transizione drogante1. Kun Lei et al. ha preparato nel 2023 il vetro base Na2O–B2O3–SiO2 mediante scambio ionico e ha studiato l'influenza degli ioni Cu+ sulle sue proprietà strutturali e di luminescenza. Una banda larga blu-verde centrata a 468 nm è stata generata con una lunghezza d'onda di eccitazione di 290 nm e la sua intensità variava con l'aumento del tempo di scambio ionico7.