High pressure effect on structural and spectroscopic properties of alkali silicate glasses doped with rare earth ions (Nd3+, Sm3+, Pr3+)

Abstract

El objetivo de este trabajo fue sintetizar matrices vítreas homogéneas basadas en óxido de silicio y óxidos alcalinos (litio, sodio y potasio) dopados con iones de tierras raras (Nd3 +, Sm3 +, Pr3 +) que sirvieron como sondas locales, para investigar el efecto de la densificación inducida por altas presiones (7.7 GPa) de estas matrices en propiedades estructurales y espectroscópicas. Para la caracterización estructural, se realizaron mediciones de espectroscopía de absorción infrarroja y Raman en los vidrios producidos revelando el efecto de cada ion alcalino en la matriz de sílice. Para evaluar el efecto de la densificación de alta presión en los vidrios, se realizaron mediciones espectroscópicas antes y después del procesamiento a 7,7 GPa. Fue posible observar cambios en el perfil de la banda vibratoria de la sílice alrededor de ~1050 cm-1 y ~1100 cm-1 en los espectros infrarrojo y Raman relacionados con cada ion alcalino y densificación. Estos cambios se hicieron más pronunciados a medida que aumentaba el tamaño del ion modificador. Las propiedades espectroscópicas se evaluaron mediante absorción óptica y mediciones de luminiscencia bajo excitación a 488 nm. Los espectros de absorción de los tres sistemas estudiados se evaluaron antes y después de ser sometidos a una presión de 7,7 GPa, mostrando picos de absorción relacionados con las transiciones electrónicas entre los niveles 4f-4f característicos de los iones de neodimio, samario y praseodimio. Se observaron cambios en la intensidad de las bandas de absorción y divisiones de algunas transiciones debido al efecto de la adición del ion alcalino en la matriz y la densificación, siendo más evidente el silicato que contiene potasio y dopado con neodimio. Para muestras dopadas con samario, los espectros de absorción mostraron una fuerte intensidad para la transición 6H15/2, no observada en otros sistemas vítreos, lo que podría estar asociado con la presencia de iones alcalinos en la matriz. Sin embargo, la intensidad de esta transición ha disminuido debido al efecto de la presión. Las muestras dopadas con praseodimio mostraron todas las transiciones características en la región visible y el despliegue de la banda 3P1 fue más evidente para el vidrio de silicato que contiene potasio después de ser sometido a 7.7 GPa. En la región infrarroja, se observó el despliegue de la banda hipersensible 3F2 para silicato de potasio antes y después de la densificación a alta presión. Con los espectros de absorción de los tres sistemas estudiados, se calcularon los parámetros de intensidad de Judd-Ofelt, Ωk (k = 2.4.6) antes y después de haber sufrido el tratamiento de altas presiones, con lo cual se calculó la probabilidad de transición radiativa de cada ion de tierras raras utilizado como sonda y se verificó el carácter covalente de los enlaces presentes en la matriz. Los espectros de luminiscencia respectivos también se evaluaron antes y después de la densificación a alta presión. Los vidrios de silicato dopados con neodimio mostraron despliegue en la transición 4F3/2 → 4I9/2, que permaneció después de la densificación. El vidrio de silicato con iones alcalinos y dopado con samario mostró una fuerte luminiscencia en naranja/rojo, cuya intensidad disminuyó después de la densificación. Para los vidrios dopados con praseodimio, se observó una emisión intensa en la región roja. Fue posible identificar cambios irreversibles inducidos por la presión en los valores de densidad, índice de refracción y parámetros radiativos de iones de tierras raras. Los resultados obtenidos indican que las propiedades espectroscópicas de los iones de tierras raras se pueden usar como sondas locales para investigar los cambios inducidos por la densificación de materiales vítreos a altas presiones. La alta presión induce cambios irreversibles en las distancias y ángulos de conexión entre los iones de tierras raras y los iones de unión que alteran el campo cristalino y, por lo tanto, las propiedades espectroscópicas medidas.