Thermométrie, thermomètre primaire et applications phosphores à base de vanadate de terre rare

Abstract

Avui en dia, la temperatura i la llum ocupen un lloc important en la investigació científica. Exerceixen un paper dominant en l’activitat humana, incloent: salut, seguretat, medi ambient, indústria, agricultura, il·luminació interior i pública, pantalles 3D en color i volumètriques, conversió d'energia, bioimatge i teràpia, termometria per luminescència, entre altres. La termometria a distància ha atret atenció com a solució per superar els problemes que van aparèixer amb els dispositius convencionals degut a la seva mida i a que són invasius. En aquesta tesi, s’han sintetitzat cristalls de Y/GdVO4 dopats amb Er3+, ER3+-Yb3+, i ER3+-Eu3+-Yb3+ pel mètode de reacció d'estat sòlid a alta temperatura per a aplicacions de termometria (termòmetres primaris i secundaris) i fòsfors. Aquests cristalls presenten una alta qualitat per a les aplicacions requerides: alta conductivitat tèrmica, baixa energia de fonons, secció transversal eficient per a una alta absorció òptica i emissió pel ions lantànids, alta estabilitat tèrmica/química i alta eficiència quàntica de fotoluminiscència. S’han estudiat les seves característiques estructurals, morfològiques, luminescents, i els seus rendiments termomètrics i d’il·luminació per condicions d’excitació per down i upconversio. Els resultats revelen que és preferible operar aquests materials com a termpmetres sota condicions de down conversion per aconseguir les millors sensibilitat tèrmica i resolució. Sota up conversió, és millor operar a baixes potències d’excitació per evitar el seu sobreescalfament i obtenir majors rendiments termomètrics. Es poden utilitzar com a termòmetres primaris a baixes potències d’excitació. Els paràmetres termomètrics obtinguts revelen que aquests materials són excel·lents termòmetres de luminescència en el rang de temperatura de 110-513 K. Finalment, presenten un alt potencial per aplicacions com a fosfors de llum vermella, verda i groga.

Hoy en día, la temperatura y la luz ocupan un lugar importante en la investigación científica. Desempeñan un papel dominante en la actividad humana, incluyendo: salud, seguridad, medio ambiente, industria, agricultura, iluminación interior y pública, pantallas 3D en color y volumétricas, conversión de energía, bioimagen y terapia, termometría luminescente, entre otros. Los métodos de termometría a remoto han atraído gran atención como solución para superar los problemas que presentan los dispositivos convencionales debido a su tamaño y a que son invasivos. En esta tesis, cristales de Er3 +-dopado, Er3 + -Yb3 + co-dopado y Er3 + -Eu3 + -Yb3 + tri-dopado Y / GdVO4 se han sintetizados por el método de reacción de estado sólido a alta temperatura para aplicaciones de termometría (termómetros primarios y secundarios) y fósforos. Estos cristales presentan una alta calidad para las aplicaciones requeridas: alta conductividad térmica, baja energía de fonones, sección transversal eficiente para una alta absorción óptica y emisión de iones lantánidos, alta estabilidades térmica/química y alta eficiencia cuántica de fotoluminiscencia. Se han estudiado sus características estructurales y morfológicas, así como sus propiedades luminiscentes, así como sus rendimientos termométricos y de iluminación bajo condiciones de excitación por down y upconversio. Los resultados obtenidos revelan que es preferible operar estos materiales como termómetros bajo condiciones de down conversion para obtener unas mejores sensibilidad térmica y resolución. Trabajando en up conversion, es mejor operar a bajas potencias de excitación para evitar el sobrecalentamiento de los materiales y obtener mejores rendimientos termométricos. Se puede operar como termómetros primarios con bajas potencias de excitación. Los parámetros termométricos obtenidos revelan que estos materiales son excelentes termómetros de luminiscencia en el rango de temperatura de 110-513 K. Finalmente, presentan un alto potencial como fósforos para luz roja, verde y amarilla.

Nowadays, temperature and light are important in scientific research. They play a dominant role for human activities, including: health, safety, environment, industry, agriculture, indoor and public lighting, 3D colour and volumetric displays, energy conversion, bio-imaging and therapeutics, luminescence thermometry, among others. Non-contact thermometry methods gathered important attention as a solution to overcome the problems related with conventional devices, due to their big sizes and invasive nature. In this thesis, Er3+-doped, Er3+-Yb3+ co-doped and Er3+-Eu3+-Yb3+ tri-doped Y/GdVO4 crystals have been synthesized by the high temperature solid-state reaction method for luminescence thermometry (primary and secondary thermometers) and for phosphor applications. These crystals have a good quality for the required applications: high thermal conductivity, low phonon energy, efficient cross-section for high optical absorption and emission of lanthanide ions, high thermal/chemical stabilities and high photoluminescence quantum efficiency. Their structural and morphological characteristics, as well as their optical properties have been studied and evaluated in detail. Their different thermometric and lighting performances have been studied and discussed for both conditions of excitation (Down and Up-conversion). The results of the current thesis reveal that it is preferable to operate these materials as luminescence temperature sensors under a Down-conversion scheme to achieve the best performance in terms of thermal sensitivity and resolution. Under Up-conversion , it is better to operate at low excitation pump power as much as possible to avoid the extra-heating of the materials and then to get higher thermometric performances. Moreover, it was indicated that a perfect primary calibration can be achieved at a lower pump power excitation. Then, the obtained thermometric parameters reveal that these materials can be excellent candidates for luminescence thermometers operating under either Down or Up-conversion conditions in the 110-513 K temperature range. Indeed, they represent a high potential applications as phosphors that generate red, green and yellow light.