New oxynitride materials with luminescent, magnetic and catalytic properties

Abstract

En les darreres dècades els oxinitrurs han rebut un interès creixent degut al vast rang d'aplicacions en els quals han mostrat una aplicabilitat potencial. Destaquen les seves propietats com fotocatalitzadors actius en el visible en processos de fotòlisi d'aigua, pigments inorgànics no tòxics, fòsfors per a LEDs (light emitting diodes) de llum blanca, materials amb magneto resistència colossal i materials dielèctrics o ferroelèctrics. En aquesta tesi presentem la síntesi i caracterització de dos nous fòsfors amb potencial aplicació en tecnologia LED de llum blanca. Els oxinitrursilicats LaSrSiO3N i LaBaSiO3N quan són activats amb Eu2+ emeten llum de color vermell ataronjat sota excitació amb radiació blava o UV. La solució sòlida Sr2-xLaxSiO4-xNx (0 ≤ x ≤ 1) es pot obtenir per la substitució concomitant de Sr2+ per La3+ i O2- per N3- en l’òxid Sr2SiO4. Mitjançant el control de la composició, es pot modificar el color de l'emissió des del grog (x = 0.2) fins a vermell ataronjat (x = 1) quan es dopa amb Eu2+ i des del blau verdós (x = 0.2) fins taronja groguenc (x = 1) quan es dopa amb Ce3+. D'altra banda, aquesta tesi també ha tingut com a objectiu la síntesi i estudi de nous oxinitrurs amb estructura de perovskita extenent el rang d’aquest grup de compostos als metall de transició Cr i Hf. Les perovskites LnCrO3-xNx amb Ln = La, Pr, Nd i continguts de nitrogen fins x = 0.59 van ser sintetitzats per mitjà de la amonòlisis dels precursors LnCrO4. La substitució d'oxigen per nitrogen indueix l'oxidació de Cr3+ a Cr4+ com a mecanisme de compensació de càrrega i les conseqüències que comporta sobre les propietats magnètiques han sigut investigades. El dopatge amb forats en les perovskites LnCrO3 produït mitjançant la substitució dels anions O2- per N3- suprimeix l'ordre magnètic però menys dràsticament que quan és induït per la substitució catiònica de Ln3+ per M2+ (M = Ca, Sr ). Finalment, presentem la síntesi, caracterització estructural i l'estudi de les propietats elèctriques i fotocatalítiques dels nous oxinitrurs amb estructura de perovskita de hafni LnHfO2N (Ln = La, Pr, Nd, Sm) i del compost anàleg LaZrO2N. Aquests materials cristal·litzen en una estructura ròmbica de tipus GdFeO3 i presenten band gaps entre 3.4 i 2.8 eV. L'evolució d'H2 i O2 produïda sota la il·luminació amb radiació d'un llum de Xenó de 300 W va demostrar que les perovsquites de hafni tenen els potencials de reducció i oxidació adequats per dur a terme dissociació de la molècula d'aigua en presència dels convenients agents de sacrifici. Les mesures de permitivitat dielèctrica i resistivitat elèctrica van mostrar que els compostos LnHfO2N (Ln = La, Pr, Nd, Sm) són aïllants elèctrics amb constants dielèctriques entre 16 i 30 a temperatura ambient.

In recent years oxynitride materials have received increasing attention because of their emerging applications as photocatalysts, phosphors, pigments, dielectrics and magnetic materials. This thesis reports the synthesis and characterization of two new oxynitride phosphors with potential application in warm white light LED technologies. The new compounds LaSrSiO3N and LaBaSiO3N activated with Eu2+ are orange-red light-emitting luminescent materials under excitation in the UV-blue range. We also report that the solid solution Sr2-xLaxSiO4-xNx (0≤ x ≤1), can be obtained by concomitant substitution of Sr2+ by La3+ and O2- by N3- in Sr2SiO4. By controlling the composition the emission colours can be tuned from yellow (x = 0.2) to orange-red (x = 1) for Eu2+ phosphors and from blue-green (x = 0.2) to orange-yellow (x = 1) in Ce3+ doped samples. On the other hand, this thesis has been directed towards the synthesis and study of new oxynitride perovskites extending the range of this group of compounds to the transition metals Cr and Hf. LnCrO3-xNx perovskites with Ln = La, Pr and Nd and nitrogen contents up to x = 0.59 have been synthesised through ammonolysis of LnCrO4 precursors. Nitride substitution induces oxidation of Cr3+ to Cr4+ as the mechanism of charge compensation and the consequences of this on magnetic ordering transitions have been studied. Hole-doping through O2-/N3- anion substitution suppresses magnetic order but far less drastically than Ln3+/M2+ (M = Ca, Sr) cation substitutions. Finally, we show the synthesis, structure, electrical and photocatalytic properties of new hafnium oxynitride perovskites LnHfO2N where Ln= La, Pr, Nd and Sm, and the previously reported analogous compound LaZrO2N. They crystallize in the orthorhombic GdFeO3-type superstructure and show band gaps between 3.4 and 2.8 eV. The time course of O2 and H2 evolution under Xenon lamp 300 W irradiation showed that the hafnium perovskites have the adequate oxidation and reduction potential to conduct the overall water splitting reaction in presence of a sacrificial agent. Dielectric and resistivity measurements showed that both Hf and Zr perovskite oxynitrides are electric insulators with dielectric constants between 16 and 30 at room temperature.