Aplicações Tecnológicas do Sistema Y O dopado com Eu · ) e finais , onde X é o efeito do campo cristalino, ʋ é a frequência da transição, h é a constante de Planck, m é

Universidade Federal de São João del-Rei Coordenadoria do Curso de Química

Aplicações Tecnológicas do Sistema Y2O3

dopado com Eu3+

Walker Vinícius Ferreira do Carmo Batista

São João del-Rei – 2017

Aplicações Tecnológicas do Sistema Y2O3

dopado com Eu3+

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado no 1° semestre do ano de 2017 ao Curso de Química - Grau Acadêmico Bacharelado, da Universidade Federal de São João del-Rei, como requisito parcial para obtenção do título de Bacharel em Química. Autor: Walker Vinícius Ferreira do Carmo Batista

Docente Orientador: Prof. Dr. Jefferson Luis Ferrari

Modalidade do Trabalho: Revisão bibliográfica

São João del-Rei – 2017

RESUMO:

De uma forma geral, as diversas aplicações das terras raras (TR) na área

tecnológicas estão diretamente ligadas a sua estrutura eletrônica particular, que fornecem a

esses íons propriedades luminescentes e magnéticas. A luminescência dos TR e decorrente

das transições eletrônicas intraconfiguracionais na camada 4f, os íons európio Eu3+ possui

uma emissão no vermelho (5D0 → 7F2) sendo de grande importância para diversas

aplicações tecnológica. O óxido de ítrio Y2O3 é considerado uma excelente matriz

hospedeira para TR devido ao raio iônico ser próximo aos dos TR, possuírem o mesmo

caráter de eletropositividade, estruturas cristalinas similares aos íons TR, e pelo fato de não

apresentarem níveis de energia na região do ultravioleta UV ao infravermelho IV assim não

influenciando nas transições que dão origem a luminescência dos TR. O óxido de ítrio

dopado com íons európio Y2O3:Eu3+, tem ganhado grande interesse devido as

propriedades luminescente do Eu3+ no desenvolvimento tecnológico em áreas como células

solares, geração de imagem, área biomédica e dentre outros. O objetivo desse trabalho é

realizar um levantamento bibliográfico de artigos publicados em periódicos, sobre as

aplicações do Y2O3:Eu3+ em diferentes áreas que visam a melhoria na qualidade de vida

das pessoas.

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO.................................................................................1

2. CARACTERÍSTICAS FÍSICO QUÍMICAS DO Y2O3.........................5

3. APLICAÇÕES...................................................................................7

3.1. CÉLULAS SOLARES..........................................................7

3.2. SISTEMAS BIOLÓGICOS..................................................12

3.3. FOTOCATALISADORES....................................................17

3.4. DISPOSITIVOS GERADORES DE IMAGENS..................19

3.5. LASERS.............................................................................20

4. CONCLUSÃO....................................................................................23

5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................23

Monografia de TCC – Química – Bacharelado – UFSJ – 2017

1

1. INTRODUÇÃO

No mundo atual, os avanços tecnológicos são de suma importância para a

sobrevivência humana, visto que têm o propósito de contribuir para a qualidade de

vida das pessoas. Dentre essas tecnologias, é importante ressaltar o desenvolvimento

de dispositivos que visam trazer comodidade e melhorias de vida, tais como lasers,

geradores de imagens e fontes de energia, assim como a biotecnologia, que impacta

positivamente no campo da saúde e do meio ambiente.

Os íons TR têm recebido cada vez mais destaque em pesquisas nessas

áreas, em função de suas características únicas. A origem do nome “terras raras” é

pelo fato de serem encontrados na forma de óxidos, sendo raros devido à difícil

separação desses elementos. Sua primeira evidência ocorreu em alguns minerais, de

forma que o grupo TR é constituído pelos elementos Lantanídeos, junto com o

Escândio (Sc) e o Ítrio (Y)1-5.

Em geral, os TR possuem a configuração eletrônica ([Xe]4fn6s2), exceto por

Lantânio (La), Gadolínio (Gd) e Lutécio (Lu), os quais possuem elétrons no orbital 5d,

e Escândio (Sc), Ítrio (Y) e Lantânio (La), que não possuem elétrons em orbitais 4f

(Tabela 1). Podem ser encontrados na forma de sólidos com estado de oxidação

trivalente (+3), e alguns íons podem apresentar estados de oxidação +2 e +41,5.

Como os orbitais 4f se encontram próximos ao núcleo (Figura 1), estão

protegidos do ambiente químico devido a blindagem dos elétrons dos orbitais 5s, 5p e

6s (camada externa), o que impede esses elétrons de participar das ligações

químicas. Essa proteção fornecida ao orbital 4f confere características únicas e

específicas para determinadas aplicações (bio)tecnológicas6

Figura 1. Distribuição Radial dos elétrons 4f, 5s, 5p, 5d, 6s e 6p. Sendo o eixo x

representado pelo raio e o eixo y pela densidade eletrônica6.


2

A luminescência dos TR é decorrente das transições eletrônicas

intraconfiguracionais na camada 4f, que resultam em emissões/absorção de linhas

espectrais finas, bem definidas, criando efeito monocromático. Transições f-f são

proibidas por Laporte, cuja regra determina que as únicas transições possíveis sejam

acompanhadas por mudança de paridade, ou seja, transições do tipo (∆L=1), como s -

p, p - d, etc. No entanto, a regra é quebrada pela mistura das funções de onda dos

orbitais 4f com as 5d, decorrente da perturbação causada pelo campo cristalino da

matriz hospedeira1,5,7.

Judd8 e Ofelt9 sugeriram um modelo matemático que explicava as

observações experimentais das transições eletrônicas intraconfiguracionais (Equação

1), utilizando as funções de ondas para a mistura de estados de energia 4f e 5d5,7,10.

Calcularam, assim, as forças de oscilação das transições intraconfiguracionais na

camada 4f, nos elementos lantanídeos e actinídeos sobre estudos da mistura de

funções de onda e as regras de seleção. Em suas conclusões, a maioria das

transições é de natureza forçada de dipolo elétrico, porém podem aparecer transições

dipolo magnético e quadrupolo elétrico. Nos cálculos (Equação 1), utilizam as funções

de onda dos estados iniciais ( ) e finais , onde X é o efeito do campo cristalino, ʋ

é a frequência da transição, h é a constante de Planck, m é massa do elétron e é o

operador: i) dipolo elétrico; ii) dipolo magnético e iii) dipolo quadrupolo elétrico 5,7,11.

Equação 1

Em geral, as transições por quadrupolo elétrico não ocorrem em TR, é

descrito que elas induzem as transições dipolo elétrico, enquanto as transições dipolo

magnético podem ocorrer, não dependendo do local de simetria do íon lantanídeo e

sendo permitidas por Laporte5,7,11.

As transições eletrônicas também são regidas pela regra de transição de spin,

segundo a qual uma radiação incidente não pode alterar o estado eletrônico do elétron

numa transição (∆S=0), ou seja, um elétron de spin (-

, ao ser excitado, não pode

alterar para (+

). Em campo cristalino de íons trivalentes de TR, não é permitido

mudança no termo de multiplicidade de estado (2S+1)1.

A luminescência envolve o processo de emissão de luz por uma transição

eletrônica, de forma que o sistema passa do estado fundamental para o estado

excitado por diferentes formas: fotoluminescência12,13 (absorção de fótons),

catodoluminescência14 (utilização de energia na região do raio-X),


3

eletroluminescência15 (utilização de corrente elétrica), quimiluminescência16 (envolve

uma reação química para liberar energia na forma de luz) e a triboluminescência16 (por

atrito). Em geral, a emissão de radiação ocorre após a excitação eletrônica por

absorção de energia16.

Na fotoluminescência, a absorção de fótons pode levar a outros dois

processos: a fluorescência e a fosforescência (Figura 2). A fluorescência é um

processo que segue a regra de seleção, não havendo mudança na multiplicidade de

estado (2S+1), fato que ocorre de forma rápida, em ordem de nanosegundos (ns).

Enquanto na fosforescência ocorre um cruzamento intersistema com a mudança do

termo de multiplicidade, sendo um processo proibido por spin e, consequentemente,

lento, ocorrendo na ordem de milissegundos (ms)17.

Figura 2. Processo de fluorescência e fosforescência17.

Apesar dessa característica fascinante dos elementos TR, a excitação direta

não é eficiente. Isso ocorre devido à blindagem formada pela camada mais externa,

que blinda os orbitais 4f, resultando em uma baixa eficiência de absortividade dessa

camada. Para melhorar a eficiência de absorção, utiliza-se uma rede hospedeira,

responsável por absorver a luz e transferir para o TR, que realiza sua função como

emissor1-4,18.

Os íons TR têm ganhado destaque nas aplicações tecnológicas, devido à sua

capacidade de deslocamento de energia, por meio dos mecanismos de

downconversion (DC)19 e upconversion (UC)19,20.

O processo UC19,20 envolve a absorção de dois fótons de baixa energia

(infravermelho (IV)) e os converte em um fóton de maior energia. Há quatro

mecanismos para este tipo de conversão, sendo eles: absorção de estado excitado


4

(ESA), conversão de transferência de energia (ETU), avalanche de fótons (PA)21 e

energia de migração mediada (EMU)22, como mostrado na Figura 3 23-25.

Figura 3. Mecanismo upconversion: a) absorção de estado excitado (ESA); b)

conversão de transferência de energia (ETU); c) avalanche de fótons (PA) e d) energia

de migração mediada (EMU)24.

A absorção do ESA envolve apenas um único íon responsável por absorver

dois fótons, de forma que a primeira absorção leva à ocupação de um estado

metaestável e o segundo fóton à ocupação no nível emissor de maior energia (Figura

3(a). No processo ETU 3(b), a absorção de fótons ocorre para dois íons o ativador (2)

e um sensibilizador (1), a fim de preencher o estado metaestável de ambos os íons.

Os elétrons no estado excitado metaestável no sensibilizador (1) relaxam e a energia é

transferida para o ativador (2), que leva a ocupar o nível emissor de maior energia,

que é responsável pela emissão23-25 O mecanismo PA 3(c) envolve a absorção de

fótons pelos íons I e II que ocupam o estado metaestável, podendo relaxar e transferir

sua energia, como mostrado, para o íon I. O íon II, então, preenche o nível emissor e

decai de forma radiativa25. O mecanismo EMU 3(d) é decorrente da estrutura core-

shell, sendo core (núcleo) e shell (casca), existindo nesse mecanismo mais de um íon

com funções diferentes, como: i) sensibilizadores; ii) acumuladores de energia; iii)

migratórios e iv) ativadores22-25.

O mecanismo DC19 envolve a absorção de fótons de alta energia (ultravioleta

(UV)) e os converte em um fóton de baixa energia, esse conversão é apresentado de

forma detalhada na Figura 4.


5

Figura 4. Diagrama de níveis para íons, mostrando os mecanismos dos processos

downconversion (DC). Em azul, excitação, e em vermelho apresenta-se a emissão de

fóton e transferência de energia (1), (2)26.

O mecanismo Quantum Cutting10 para um único íon envolve a absorção de

fóton de alta energia, que leva à ocupação do nível emissor de maior energia,

ocorrendo duas emissões de fótons de baixa energia [Figura 4(a)]. O mecanismo 4(b)

envolve três íons sendo um sensibilizador e dois ativadores, em que A é o

sensibilizador que absorve fótons de alta energia e transfere para os ativadores B que

é responsável pela emissão de dois fótons de baixa energia. O mecanismo 4(c)

envolve a absorção de fótons de alta energia por um único íon A, que é excitado para

o segundo nível, esse relaxando de forma não radiativa e transferindo parte da energia

para o íon B, onde ambos podem relaxar de forma radiativa. O último mecanismo

4(d), após a absorção do íon A de fótons de alta energia, que leva à excitação do

segundo nível emissor, pode relaxar para o primeiro nível emissor de forma radiativa e

decair para o nível fundamental de forma não radiativa, com a transferência de energia

para o íon B. Por sua vez, esse íon excitado relaxa, com liberação de energia 23,26-27.

O óxido de ítrio (Y2O3) possui características interessantes para aplicações

(bio)tecnológicas, tais como baixa energia de fônon (430-550 cm-1), estabilidade

química, elevado ponto de fusão (~2430 °C), ampla gama de transparência (200 –

8000 nm), elevada resistência à corrosão, condutividade térmica de 13,6 W.mK-1 a 300

K, índice de refração de (~1.935) e densidade (5,04 g.cm-3)28.

Os íons európio trivalentes (Eu3+) possuem configuração eletrônica [Xe] 4F6 e

são utilizados como ativadores em muitos fósforos para emissores de luz na região do

vermelho (5D0 → 7F2), emissão essa referente à transição intraconfiguracional f-f. A

Figura 5 mostra os níveis de energia do íon európio trivalente29-31. O desdobramento

dos níveis energéticos do Eu3+ no orbital 4f6 tem um total de 3003 microestados de

energia, sendo a ocorrência desses estados ligada a: i) interação eletrostática; ii)

acoplamento spin-órbita; iii) campo cristalino da matriz hospedeira com íon dopante e

iv) efeito Zeeman5,17,32.


6

Figura 5. Níveis de energia do íon európio trivalente32.

A interação eletrostática é resultado da repulsão dos elétrons nos orbitais 4f,

com uma separação de níveis na ordem de 500 nm. O acoplamento spin-órbita é

devido à interação entre o momento magnético de spin do elétron e o campo

magnético criado pelo movimento do elétron ao redor do núcleo, com uma separação

de níveis 10000 nm. O desdobramento do campo cristalino, cuja separação de níveis é

de 100000 nm, é ocasionado pela interação entre os elétrons nos orbitais 4f com o

ligante. A última interação é o efeito Zeeman, que provoca um desdobramento nos

níveis de energia, quando se aplica um campo magnético em uma amostra5,17,32.

O óxido de ítrio dopado com íons európio Y2O3:Eu3+ tem ganhado destaque

para possíveis aplicações em tecnologia, devido ao seu tempo de vida longo no

estado excitado e às suas características de emissões monocromáticas e intensas e

devido ao mecanismos de downconversion (DC)30. O Y2O3:Eu3+ é um fósforo que

emitem vermelho bem conhecido utilizado em tubos de raios catódicos, lâmpadas

fluorescentes e tubos de televisão de projeção, e tem ganhado pesquisas para

utilização em células solares(DCCS), sistemas biológicos.

2. CARACTERÍSTICAS FÍSICO QUÍMICAS DO Y2O3

O óxido de ítrio é considerado uma excelente matriz hospedeira para TR,

devido suas propriedades já mencionadas. Isso se deve a alguns fatores, tais como: i)

o raio iônico do íon ítrio (Y3+) ser próximo aos dos TR (Tabela 1); ii) possuírem o

mesmo caráter de eletropositividade e iii) ter estruturas cristalinas similares aos íons

TR1. Isso facilita a substituição de elementos TR na estrutura cristalina do óxido de

ítrio, sendo essa estrutura definida pelo arranjo dos átomos e sua periodicidade1,5. O

Y2O3 não apresenta absorção na faixa do (200 – 8000 nm), sendo assim não há


7

influência nas transições que dão origem a luminescência no Eu3+. Outro ponto e

devido a sua baixa energia de fônon, sendo assim a uma menor perda de energia para

a rede hospedeira e uma eficiência na transferência de energia.33

Tabela 1. Nomes, símbolos e propriedades dos TR.1,2,5

Nome Símbolo /N° atômico

Configuração eletrônica Neutra

Nox Raio iônico / pm

N° de coordenação

Escândio Sc / 21 [Ar] 3d1 4s2 3 87 8

Ítrio Y / 39 [Kr] 4d1 5s2 3 102 8

Lantânio La / 57 [Xe] 6s2 5d1 3 116 8

Cério Ce / 58 [Xe] 4f2 6s2 3 114 8

Praseodímio Pr / 59 [Xe] 4f3 6s2 3 113 8

Neodímio Nd / 60 [Xe] 4f4 6s2 3 111 8

Promécio Pm / 61 [Xe] 4f5 6s2 3 109 8

Samário Sm / 62 [Xe] 4f6 6s2 3 108 8

Európio Eu / 63 [Xe] 4f7 6s2 3 107 8

Gadolínio Gd / 64 [Xe] 4f7 5d1 6s2 3 105 8

Térbio Tb / 65 [Xe] 4f9 6s2 3 104 8

Disprósio Dy / 66 [Xe] 4f10 6s2 3 103 8

Hólmio Ho / 67 [Xe] 4f11 6s2 3 102 8

Érbio Er / 68 [Xe] 4f12 6s2 3 100 8

Túlio Tm / 69 [Xe] 4f13 6s2 3 99 8

Itérbio Yb / 70 [Xe] 4f14 6s2 3 99 8

Lutécio Lu / 71 [Xe] 4f14 5d1 6s2 3 98 8

O raio iônico dos TR diminui de forma uniforme com o aumento do número

atômico, sendo a principal causa desse efeito a contração lantanídica. A contração

ocorre devido ao aumento na carga nuclear e à baixa eficiência na blindagem dos

elétrons 4f1.

Os óxidos de TR apresentam polimorfismo, isto é, diferentes estruturas

cristalinas para o mesmo óxido. Em temperaturas a abaixo de 2000 °C, podem dar

origem a estruturas cúbicas, monoclínicas e hexagonais. Na literatura, há diversas

rotas sintéticas para produção de óxido de ítrio dopados com európio, algumas como

precursores de citrato, método hidrotérmico, método de co-precipitação, sol-gel, dentre

outras1,34-41.

O óxido na forma cúbica possui uma estrutura cristalina do tipo fluorita, em

que cada íon ítrio está coordenado por seis átomos de oxigênio e duas vacâncias. Tais

vacâncias podem ser localizadas no mesmo plano no cubo ou em planos opostos


8

(Figura 6), levando à formação de dois locais de simetria S6 e C2 e um grupo espacial

Ia342-45.

Figura 6. Diferentes posições para os átomos de ítrio (branco) e oxigênio (preto) no

cristal cúbico Y2O350. Para cada estrutura, há diferentes operações de simetria C2 e

S6.12

A estrutura cristalina cúbica em cada célula primitiva (cela) é constituída por

16 unidades, onde há 32 cátions na célula, sendo 8 centrossimétricos (C3i=S6) e 24

não-centrossimétricos C212,30.

Na estrutura monoclínica, há três locais de simetria, de maneira que cada

cátion se encontra coordenado por sete átomos de oxigênio. Dois tipos possuem

estruturas de um prisma trigonal distorcido e o sétimo átomo de oxigênio se encontra

na face, com uma ligação maior. O terceiro local de cristalografia possui uma

geometria octaédrica distorcida, estando o sétimo átomo de oxigênio a uma distância

substancialmente maior, como mostrado na Figura 7 45-50.

Figura 7. Estrutura Y2O3 na fase monoclínica, os íons ítrio (branco) se encontra

coordenado por sete átomos de oxigênio (preto)50.

Há três locais de simetria na estrutura monoclínica que são considerados

equivalentes, onde há uma simetria local Cs e um grupo espacial C2/m50.


9

Na estrutura hexagonal (Figura 8), cada átomo do metal se encontra

coordenado por sete átomos de oxigênio, que consiste em uma geometria octaédrica

distorcida, com o sétimo átomo de oxigênio a uma distância intermediária acima de

uma das faces octaédricas. Nessa estrutura, há um grupo espacial P3ml e uma

simetria local de C3v. Na Tabela 2, é apresentado um resumo dos dados cristalinos dos

íons ítrio na estrutura do Y2O3 48,51.

Figura 8. Estrutura hexagonal, vermelho átomos de oxigênio e azul átomos íons ítrio51.

Tabela 2. Dados das estruturas cristalinas em resumo das propriedades1.

Estrutura

cristalina

Locais

simetrias

N° de

coordenação

Referência

Cúbica S6, C2 (Ia3) 6 30

Monoclínica 3Cs (C2/m) 7 50

Hexagonal C3v (P3ml) 7 51

3. APLICAÇÕES

3.1. CÉLULAS SOLARES

A luz proveniente do sol, na superfície da terra, possui uma distribuição de

comprimento de onda da região do ultravioleta (UV) até o infravermelho (IV) com

máximo em 483 nm (Figura 9), fazendo com que cerca de 885 milhões de toneladas

de watt-hora por ano (TWh/ano) atinjam a superfície terrestre. A viabilidade do uso de

energia solar para produção de energia elétrica se explica, pois, por ser essa

considerada uma fonte de energia renovável, limpa e abundante52.


10

Figura 9. Espectro de radiação solar 52.

O desenvolvimento de dispositivo fotovoltaico (baseado no efeito fotovoltaico)

teve início em 1970, devido à crise do petróleo e, mais tarde, devido às preocupações

com o meio ambiente. Esse efeito foi descoberto por Becquerel em 1839, no qual foi

observado que, quando uma luz atinge uma placa metálica imersa em um eletrólito, é

gerada uma pequena diferença de potencial. Essa diferença de potencial pode ser

gerada em um semicondutor onde há uma banda de valência (BV) e banda de

condução (BC), e entre as duas existe intervalo de energia chamado bandgap (Eg). Ao

atingir um semicondutor com fótons de energia superior ao Eg, os elétrons são

excitados da BV para BC, movimento de elétrons que gera uma corrente elétrica52,53.

As células solares de corantes (Dye Sensitized Solar Cells - DSSCs) foram

construídas por O’Regan e Grätzel em 1991, sendo sua estrutura uma tecnologia

simples e de baixo custo. Os corantes utilizados absorvem energia na faixa de

comprimentos de ondas das regiões (400 a 800) nm, o que melhora a eficiência na

coleta de luz, embora ainda não seja eficaz na região do infravermelho e

ultravioleta54,55. O funcionamento da DSSCs (Figura 10a) ocorre pela absorção de

fótons pelos corantes, a fim de promover os elétrons do HOMO (Orbital Molecular

Ocupado de mais Alta energia) para o LUMO (Orbital Molecular Desocupado de mais

Baixa energia). Os elétrons promovidos são ejetados na banda de condução do

semicondutor, sendo normalmente usado para isso o óxido de titânio (TiO2, 3 eV). Os

elétrons passam do óxido de titânio (TiO2) para o óxido condutor transparente FTO

(óxido de estanho dopado com flúor, SnO2:F). Na sequência, as moléculas de corante

são regeneradas pelo par redox (I- / I3-). O par redox é regenerado pelos elétrons do

corante, que percorrem o circuito externo, de maneira que a energia gerada está

relacionada ao movimento dos elétrons dentro e fora do circuito56-57.

O funcionamento de DSSCs auxiliada por fósforo DC (Figura 10b). Esses

fósforos absorve energia do UV e emitem na região visível, a absorção do UV leva a


11

promoção dos elétrons da BV para a BC do (SrAl2O4:Eu2+,Dy3+) a emissão leva os

elétrons a serem injetados nos orbitais LUMO do corante e o processo se repete para

uma DSSCs, os elétrons no LUMO do corante são ejetados na BC do semicondutor

TiO2. Os elétrons passam do óxido de titânio (TiO2) para o óxido condutor

transparente FTO, o fósforo é então regenerado pelo par redox (I- / I3-)59.

Figura 10. Funcionamento de uma DSSC: a) Diagrama de funcionamento de uma

célula solar de corantes18 b) Mecanismo de trabalho do DSSC com fósforo processo

DC: 1 processo de conversão processo DC, 2 espalhamento da luz e 3 centros de

recombinação59.

Esses processos DC são fundamentais para um aumento na eficiência das

células solares, sendo que os corantes absorvem na região do visível, e Y2O3:Eu3+

realizam a captação de energias nas regiões do UV e convertem em energia na região

do visível, que pode ser absorvida pelo corante13,23,58,60-63. Outro ponto da aplicação

dos Y2O3:Eu3+ é o fato de seu tempo de vida no estado excitado ser longo, assim

facilitando a injeção de elétrons nos orbitais LUMO do corante antes do decaimento

para o estado fundamental64.

A eficiência de uma célula solar é obtida da curva I-V (corrente de curto

circuito x tensão do circuito aberto). A partir dessa curva, é possível obter dados para

calcular alguns parâmetros que avaliam sua eficiência, tais quais: i) corrente de curto-

circuito (Jα); ii) tensão do circuito aberto (Vα); iii) fator de preenchimento (FF) e iv)

eficiência de conversão de energia solar em eletricidade para uma célula solar (η)54,55.

η

η


12

Os parâmetros Jα e Vα são obtidos diretamente da curva I-V e sua obtenção

corresponde aos valores máximos da fotocorrente e voltagem máxima. Quanto à

diferença de potencial e a corrente, são nulas. O FF é definido como a razão entre o

potencial da célula sobre o potencial teórico, sendo utilizado como um fator da

eficiência de recombinação elétron e buraco. A η é um parâmetro que relaciona os

potenciais gerados na célula em seu ponto máximo sobre o potencial de incidência de

luz, sendo um parâmetro importante da conversão de energia. Quanto mais a curva I-V

se aproxima da forma retangular, maior é a potência máxima e a eficiência54,55.

A utilização de corantes em DSSCs deve ter: i) adequado potencial redox, ii)

estabilidade química longa e iii) combinar com espectro solar. Entre esses corantes, os

mais utilizados na literatura são os complexos de rutênio devido às propriedades

fotoeletroquímicas favoráveis, alta estabilidade no estado oxidado e amplo intervalo de

absorção do visível ao infravermelho65. O Corante N-719 cis-bis(isotiocianato)bis(2,2-

bipiridina-4,4-dicarboxilato)rutenato(II) de bis(tetrabutilamônio) (Figura 11a) tem uma

absorção entre 300 a 800 nm58, na (Figura 11 b) observam-se duas bandas com

absorção máxima em 380 e 536 nm, que é atribuída a transferência de carga de metal

para o ligante (MLCT) transição (4d-π*)66.59.66.

Figura 11. a) estrutura N-719, onde TBA e tetrabutilamônio67 e b) Espectro de

absorção UV-Vis do N-71966.

A Tabela 3 mostra dados coletados da literatura sobre a aplicação de íons TR

em células solares por processos UC e DC, utilizando-se o corante N-719, que tem

uma absorção entre 350 a 700 nm 50,54-58,60-65.


13

Tabela 3. Diferentes fósforos aplicados em DSSCs e suas eficiências. Vα é tensão de

circuito aberto, Jα é curto-circuito densidade de corrente, FF é fator de preenchimento

e ɳ% é eficiência de conversão global.

Material Vα (V) Jα(mA·cm-2) FF ɳ% Corante Referência

TiO2 0,715 13,04 0,615 5,74 N-719 54

Y2O3:3% Eu3+ DC 0,788 13,26 0,623 6,52 N-719 54

Y2O3:Er3+/Yb3+ UC 0,760 13,68 0,643 6,68 N-719 58

Pt/Y2O3:Eu3+ DC 0,770 15,31 0,640 8,33 N-719 13

BaWO4:Eu3+ DC 0,720 16.98 0,590 7,20 _ 85

3%Bi2S3:Eu3+ DC 0,727 16,07 0,650 7,47 N-719 63

NiO:Eu3+/Tb3+ DC 0,780 17,40 0,650 8,80 N-719 86

YVO4:Eu3+ DC 0,712 15,80 0,660 7,42 N-719 68

ZnO:(Eu3+,Tb3+)/TiO2:ZnO:Er

3+,Yb3+ DC e UC

0,760 10,13 0,670 5,13 N-719 62

Ressalta-se um aumento na eficiência de células solares sensibilizadas por

corantes com adição de Y2O3:Eu3+, o que está diretamente ligado à capacidade de

absorção de fótons nas regiões UV e conversão para as regiões do visível pelo

mecanismo DC, onde há uma absorção pelos corantes N-719 na região visível, e o

tempo de vida do material no estado excitado ser longo na ordem de milissegundos

(ms)54,62-68.

3.2. Sistemas biológicos

Os processos de obtenção de imagens sempre atraíram a atenção da

humanidade, principalmente em relação à aplicabilidade na área da saúde, como no

caso dos raios-X, utilizados para obtenção de imagem de ossos. Atualmente percebe-

se um aumento nas pesquisas por materiais para obtenção de bio-imagem, as

nanopartículas fluorescentes inorgânicas vêm ganhando grande espaço nas pesquisas

para marcadores fluorescentes, e, inclusive, existem pesquisas voltadas para a

utilização desses materiais como monitoramento de fármacos no tratamento do

câncer77-81.

A utilização de corantes para aplicação em biomarcadores possui uma

desvantagem devido ao seu tempo de vida no estado excitado ser curto, na ordem de

nanosegundos (ns), sendo da mesma ordem de grandeza das moléculas do sistema

biológico, o que pode provocar sobreposição de sinal de luminescência, ocasionando


14

perda de qualidade da imagem. Os tempos de vida no estado excitado do corante

acridina podem atingir 5 ns na luz visível e 1 ns nos comprimentos de onda NIR, tendo

os corantes cianina 5 (Cy5) um tempo de vida de 1,5 ns82.

Um marcador adequado deve possuir: i) excitação estável, sem excitação da

matriz biológica, o que leva à obtenção de uma melhor resolução da imagem gerada;

ii) possuir um elevado coeficiente de absorção molar no comprimento de onda de

excitação e um rendimento quântico de fluorescência elevado; iii) solubilidade em

meios celulares ou fluidos corporais e iv) estabilidade e possuir uma interação com a

unidade biológica em estudo77-86.

A avaliação da biocompatibilidade de novos materiais é importante para

promover a sua aplicação em biomedicina, pois tais materiais podem interagir com

moléculas biológicas a fim de interromper e prejudicar a função celular normal, através

de diversos mecanismos87-88, sendo de extrema importância observar isso, a fim de

serem promovidas investigações sobre sua toxicidade. Íons TR têm atraído grande

interesse para aplicação em bio-imagem devido ao seu tempo de vida longo no estado

excitado, na ordem de milissegundos (ms), e a suas emissões monocromáticas e

processos DC ou UC 77-89,81,84,89.

As principais avaliações visam o estudo da toxicidade de novos materiais no

meio celular, sendo empregado o teste da viabilidade celular. Esse teste consiste em

um ensaio colorimétrico para células vivas, depois de um período de tempo. Nesse

teste, o elemento mais utilizado é o MTT [3-(4,5-dimetiltiazol-2il)-2,5-difenil brometo de

tetrizolina], o qual, ao ser adicionado em células vivas, reage com enzimas

(desidrogenases e redutases) na mitocôndria, para formar o formazan [E,Z-1-(4,5-

dimetiltiazol-2il)-2,5-difenil formazan], que pode ser detectado com absorção em

570nm. Outros testes envolvem a capacidade de novos materiais na produção de

oxigênio reativo nas células, espécies que, em altos teores, podem provocar danos a

tecidos e órgãos 89,91-93.

O teste para essas espécies é detectado por procedimentos colorimétricos, os

quais utilizam um composto não fluorescente que, ao entrar em contrato com espécies

reativas, produzem um composto fluorescente. Na maioria do teste, é utilizado o 2,7-

diclorodihidrofluoresceína de diacetato (H2DCF-DA) não fluorescente, que reage com

oxigênio reativo, formando 2,7-diclorofluoresceína (DCF), que possui fluorescência e

pode ser detectado ao ser excitado em 498 nm89,91,92.

Diversos estudos têm surgido para óxido de ítrio em diferentes meios

celulares na literatura, onde é sugerido que há uma baixa toxicidade e ausência na

produção de oxigênio reativo. Foram realizados testes de biocompatibilidade entre


15

nanocristais Y2O3:Eu3+/Gd3+ e células L929 (célula de fibroblasto). O teste de

toxicidade foi realizado, utilizando-se o MTT em concentrações de 500 μM, e a

viabilidade celular das nanopartículas não apresentava toxicidade. O teste de oxigênio

reativo foi feito em comparação com células tratadas com H2O2 como um controle

positivo e um controle negativo. Segundo os autores, foi observado 6,5% de

fluorescência para a nanopartícula, o que indica baixo teor de oxigênio reativo,

enquanto que o controle positivo foi de 86,2%89. Em outro estudo para nanopartículas

de Y2O3:Eu3+/Gd3+ com concentração de 1% de massa para íons európio e 10% de

gadolínio, foi analisada sua biocompatibilidade em ensaio WST-8 (sal monossódico de

tetrazólio [2- (2-metoxi-4-nitrofenil) -3- (4-nitrofenil) -5- (2,4- dissulfofenil) 2H-tetrazólio])

em células L929. O ensaio WST-8 é um teste colorimétrico para a determinação do

número de células viáveis, onde segundo os autores as nanopartículas preparadas

não causaram danos significativos na viabilidade celular em concentrações inferiores a

60 ppm94.

Nanopartículas (Eu3+:Y2O3@CNTs) foram sintetizadas e testadas quanto à

sua biocompatibilidade em células HeLa por teste MTT e Contagem de Células-8

(CCK-8), que absorvem em 450 nm. No teste, foram conduzidas diferentes

concentrações de nanopartículas (Figura 12) e os resultados mostraram uma baixa

toxicidade do material em contado com as células90.

Figura 12. Viabilidade celular de células HeLa em contado com nanopartículas

Y2O3:Eu3+ @ CNTs, CNTs e Y2O3:Eu3+, (a) resultados do ensaio CCK-8 (WST-8) e (b)

ensaio MTT90.

As nanopartículas CeO2, Y2O3, e Al2O3 foram aplicadas em macrófagos de

camundongos (HT22) e (RAW164) para estudos de toxicidade, utilizando-se a técnica

(MTT), sendo observada toxicidade apenas para as nanopartículas CeO2 de tamanho

1 μm e alegando que nanopartículas Al2O3 com concentração de 80 μg x mL-1 não

apresentavam toxicidade. Para a determinação da atividade antioxidante, utilizou-se o

teste de níveis de oxigênio reativo, como o H2DCFDA, já mencionado anteriormente,


16

tendo sido adicionado nessas células o glutamato e verificado que, com exceção do

Al2O3, as nanopartículas protegem a célula de estresse oxidativo91.

No aminoácido glutamato nas células HT22 do pulmão, há uma competição

na entrada das células com a cistina, que é um dos principais aminoácidos com

atividade antioxidante. A entrada de glutamato na célula vai inibir a entrada da cistina,

levando à morte da célula91.

Outros estudos foram direcionados à utilização do óxido de ítrio como

nanopartículas protetoras contra o estresse oxidativo causado pelo Chumbo (Pb)95, na

proteção contra o dano pancreático decorrente da exposição ao diazinon96, na

proteção das células fotorreceptoras da retina em ratos97, dentre outros.

Para aplicação em sistemas vivos, são indispensáveis compostos que

absorvem comprimentos de onda próximos à janela biológica, que, por definição, são

regiões onde a água e moléculas orgânicas têm uma baixa absorção. Estas regiões

normalmente compreendem entre 750 e 1300 nm77-86. A região ultravioleta tem pouca

penetrabilidade na pele, devido à alta absortividade da mesma, sendo um dos

principais causadores de câncer de pele, pela formação de espécies oxidativas. Outro

fator está relacionado ao fato de que diversas moléculas da pele absorvem nessa

frequência, tais como proteínas, lipídeos e o próprio DNA, sendo que, no DNA, essa

absorção pode provocar mudanças em sua estrutura, ocasionando mutações e

levando ao câncer. Sendo assim, é ineficaz a utilização de luz UV na obtenção de

imagens em sistemas vivos92-99.

Uma provável aplicação in vivo de Y2O3:Er3+/Yb3+/Eu3+, embora não tenha

comprovação na literatura, está relacionada com sua excitação na região do

infravermelho (980 nm), que se encontra no meio da janela biológica, sendo que esse

material possui emissão com duas bandas, em torno de 523 nm e 551 nm100.

Em aplicações in vitro, o óxido de ítrio dopado com íons európio tem ganhado

grande destaque, tendo sido aplicado Y2O3:Eu3+ em ratos adultos e observada uma

rápida absorção e distribuição do material. Após um período de 1h, são recolhidos os

órgãos internos e retirados cerca de 5 μm de tecido para realizar os testes como

biomarcadores de fluorescência, tendo êxito na obtenção das imagens101.

Foi realizada comparação entre SiO2@Y2O3:Eu3+/Co2+ e Y2O3:Eu3+/Co2+ 86

para teste in vitro na obtenção de imagens celulares. Ao analisar seus dados,

concluiu-se que o material sem a sílica é absorvido no interior do citoplasma das

células, causando um enfraquecimento na luminescência do fósforo. No material com

a sílica não foi observado esse problema, devido à proteção formada pela camada de


17

SiO2. Outro ponto destacado foi a magnetização do material, sendo um possível

candidato à aplicação em imagem de ressonância magnética (IRM)86.

Outros trabalhos têm sido relatados com propriedades magnéticas e

luminescentes, com o objetivo de obtenção de imagens de células cancerígenas

específicas. Para as células de carcinoma nasofaríngeo humano (KB), o material

utilizado consistiu em nanocristais de Y2O3:Eu3+/Gd3+, conjugados com ácido fólico. No

teste de obtenção de imagens, foram utilizadas células de câncer de pulmão (A-549) e

de carcinoma nasofaríngeo humano (KB). Observando-se a interação do material com

as células KB, sendo, então, possível obter a morfologia da célula. A microscopia de

fluorescência e os dados de toxidade, já mencionado anteriormente, mostram uma

ligação altamente seletiva paras as células KB. O estudo demonstra a capacidade de

obtenção de imagens para específicas células, sem toxidade aparentemente89.

Têm surgido diversos estudos em busca da obtenção de um material core-

shell, sendo uma combinação de propriedades magnéticas e luminescentes. Os óxidos

com propriedades paramagnéticas, tais como Fe3O4 102-107, CoFe2O4

108-110 e Gd2O3 111

têm recebido destaque nessas possíveis aplicações, devido a propriedades

magnéticas.

Esses óxidos podem ser aplicados em IRM, de modo que as imagens são

geradas ao se aplicar um campo magnético, onde os prótons do material se alinham a

esse campo. O núcleo do material vibra numa determinada frequência (ʋ) com esse

campo aplicado, o aparelho responsável por obter essas imagens emite a mesma ʋ do

material e, nessa etapa, ocorre ressonância, que é a transferência de energia para o

material. Essa energia transferida tem a finalidade de estimular o relaxamento, e,

quando isso ocorre, é emitida uma ʋ, que é detectada pelo equipamento – onde gera

as imagens. As imagens RM possuem maior capacidade de demonstrar diferentes

estruturas, maior facilidade em obter imagens de pequenas alterações em doenças

(como no cérebro), porém menor capacidade de obter imagens morfológicas. A

combinação IRM e imagem óptica pode melhorar a resolução de imagens

morfológicas112.

Embora não haja relatos na literatura que tratem do material em uma

aplicação de obtenção de imagem, focando-se nas suas propriedades magnéticas e

luminescentes, como no caso do material Fe3O2@Y2O3:Eu3+ 105, conclui-se que, ao se

aplicar um campo magnético externo, ocorre o aparecimento das propriedades

luminescentes do material. A mesma observação foi verificada para o material

CoFe2O3@SiO2@Y2O3:Eu3+ 107. Outro relato das propriedades luminescentes e

magnéticas foi realizado para o material CoFe2O3@SiO2@Y2O3:Eu3+. Em sua análise,


18

chega-se à conclusão que o material possui uma perda da luminescência devido à

transferência de energia UV para o CoFe2O3, mas, com o aumento da camada de

SiO2, essa dependência é diminuída109.

O Y2O3:Eu3+ e considerado um promissor para aplicação em biomarcadores

em células devido seu tempo de vida de luminescência ser da ordem de milissegundos

(ms), o que inibir a sobreposição de sinal de luminescência e assim resultado em

benefício na qualidade das imagem.

3.3. FOTOCATALISADORES

Outras aplicações para materiais que apresentam downconversion são a

catálise, as placas de estradas noturnas, dentre outras. O processo da fotocatálise

envolve a absorção de fótons para produção de radicais altamente reativos para

atacar moléculas complexas, sendo ambos os processos de grande importância na

área ambiental1. A ideia geral do processo de fotocatálise envolve a absorção de

fótons, sendo transferido um elétron da BV para a BC, formando um par elétron/buraco

(e- - h), processo esse que favorece a formação de radicais altamente reativos1,12,113-

116.

A utilização de Y2O3:Eu3+ para essas aplicações varia desde a utilização direta

do material ou indireta com outro metal que tem a função catalítica. De uma forma

geral, a ação desse material como fotocatalisador pode ser resumida nas seguintes

equações113:

Y2O3:Eu3+ + hʋ = (BV)+ + (BC)-

(BV)- + H2O = (BV) + OH

. + H+

(BC)- + O2 = (BC) + O2

-

A utilização direta do Y2O3:Eu3+ foi realizada na decomposição do corante azul

metileno (AM) com a radiação de luz UV-A. Segundo os dados obtidos, a morfologia

das nanopartículas tende a influenciar a capacidade fotocatalítica. Segundo os

autores, os Eu3+ têm a função de inibir a recombinação de elétron e buraco na matriz

Y2O3. Outra observação foi que nanopartículas de concentração de 1% de massa para

íons európio, de morfologia de forma cônica, possuem maior capacidade de

fotocatálise. Os autores propuseram um mecanismo em que a absorção de um fóton

promove o elétron para a banda de condução do Y2O3, esse sendo capturado pelos

Eu3+ e levando à formação de moléculas O2-, que atacam compostos orgânicos e a


19

regeneração do buraco formado na BV por moléculas de água. O esquema é

apresentado na Figura 13113.

Figura 13. Esquema de reação catalítica para degradação azul de metileno113.

Outro processo de utilização indireta do material foi realizado no preparo de

Y2O3: (Eu3+/Au3+). Neste material, é observado o deslocamento de Eu3+ em locais de

simetria C3i para C2 na fase cúbica, em comparação com Y2O3:Eu3+ ao observar os

espectros de fluorescência. Concluindo-se a possibilidade de utilização desse material

em catálise. Utilizando-se um reator com a concentração de orto-diclorobenzeno (O-

DCB) fixada em 600 ppm e adição de 50 mg do material, e sendo utilizada uma

lâmpada de mercúrio para emissão na região do UV 254 nm e a análise por GC

(cromatografia gasosa) com um detector de ionização de chama (FID), tais dados não

foram apresentados. Nesse estudo, foi observada a conversão do orto-diclorobenzeno

(O-DCB), chegando-se à conclusão de que a transferência de energia dos Eu3+ para

Au3+ e, posteriormente, para o ouro metálico na superfície, de forma que as moléculas

de gás oxigênio absorvem esses elétrons, leva ao ataque no O-DCB114.

Para a aplicação Y2O3:Eu3+ nessa finalidade, a ideia é a possibilidade de

minimizar a recombinação buraco e elétrons, sendo que o óxido de ítrio absorve fótons

de energia acima de 276 nm e seu tempo de vida longo na ordem de milissegundos

(ms) são interessante para fotocatálise, levando o elétron da BV para BC do Y2O3.

Rapidamente, esses elétrons podem ser transferidos para a banda de condução do

íon európio, inibindo a recombinação buraco e elétron. Nesses processos, moléculas

podem interagir, levando à formação de radicais para atacar moléculas.

3.4. DISPOSITIVOS GERADORES DE IMAGENS

Há uma deficiência na obtenção de imagem branca de forma direta para

aplicações em iluminação e geradores de imagens, ter como alternativa a utilização da

combinação de três cores primárias: vermelho, azul e verde. Dispositivos geradores de

imagens de tela plana podem ser divididos em tela de cristal líquido (Liquid Crystal


20

Display), emissão de eletroluminescente (Display emission of electroluminescent),

emissão de campo (Field emission Display), monitores de plasma (Plasma monitors),

os quais possuem fósforo em sua estrutura de construção117-121.

As imagens geradas em dispositivos são formadas por pequenos pontos

luminosos distribuídos no painel frontal, sendo esses pontos formados pelas três cores

já citadas. Os materiais luminescentes são chamados de fósforo e têm sido

intensamente estudados para essa aplicação, principalmente aqueles que fornecem

características monocromáticas e com brilho intenso. Os íons TR são considerados

excelentes íons ativadores e, devido a suas características químicas, fósforos que

emitem na região do vermelho têm ganhado expressividade nas pesquisas,

principalmente quanto à utilização de íons európio14,121-122.

O óxido de ítrio dopado com európio foi obtido por precursores de citrato e

revestido por centrifugação (spin coating) em substrato de safira e aquecido para

obtenção da fase cristalina. Foi verificado que, elevando-se a temperatura acima de

1000 °C, é obtida uma reação entre o material em estudo e o substrato de safira, com

formação de três fases: uma cúbica de Y2O3:Eu3+, duas monoclínica (Y4Al2O9:Eu3+) e

uma Y3Al5O12:Eu3+. O material foi testado para catodoluminescência (CL), isto é,

obtenção de luminescência ao se aplicar feixe de elétrons em uma amostra. Segundo

os autores, esses fósforos são úteis na obtenção de imagens em painéis de emissão

de campo e sistemas de iluminação. Outro fato citado pelos autores é a baixa

eficiência em coletar energia para a luminescência121.

Outros autores utilizam o método de Pechini para sintetizar Y2O3:Eu3+ e

Y2O3:Tb3+, utilizando-se o método eletroforese para depositar os óxidos em lâminas de

vidro ITO (óxido de estanho dopado com índio, SnO2:In), sendo observado no teste de

CL que as amostras aumentavam sua intensidade com o aumento da tensão aplicada,

e também que as nanopartículas de 46 nm sintetizadas por esse método têm maior

eficiência do que o fósforo de tamanho (μm) comercialmente disponível. Concluindo-

se, então, que a eficiência de luminescência aumenta com o aumento do tamanho das

nanopartículas123.

Outros estudos visam a adição de metais ao Y2O3:Eu3+ para melhorar a

luminescência do material, de forma que um dos estudos foi realizado com a adição de

prata (Ag). O material foi revestido pela técnica de spin coating em uma folha de

Corning®. Foi relatado que houve um aumento na absorção de cerca de 32% e uma

diminuição na intensidade de luminescência causada pela adição de SiO2, a qual foi

utilizada para a adesão da película14. Outros estudos têm sugerido a adição de metais

na estrutura desse óxido, com a finalidade de aumentar a intensidade de


21

luminescência14,37,122,124,125, sendo que um dos estudos envolve a adição de Lítio (Li)

em Y2O3:Eu3+ e Gd2O3:Eu3+, situação em que foi observado um aumento na

intensidade de CL122.

Para que sejam aplicados fósforos, estes devem ter um caráter

monocromático, ou seja, uma emissão característica de linhas finas e intensas. Sendo

assim, a matriz hospedeira deve influenciar o mínimo possível na camada 4f para que

essa característica monocromática seja apreciável. Sendo assim o Y2O3 é considerado

excelente matriz para aplicação em dispositivos geradores de imagem devido à baixa

influência do efeito do campo ligante e do ambiente químico.

3.5. LASERS

Em Laser (Amplificação de Luz por Emissão Estimulada de Radiação), o

princípio do fundamento é a inversão de população de elétrons, com a função de gerar

uma cascata de fótons com a mesma frequência (ʋ). Na fabricação, são necessários:

i) ativador; ii) gerador de energia (para gerar inversão da população) e iii) sistema

óptico (ressonador)5,17.

O ativador é um dos principais constituintes responsáveis por características

do laser, tais como a emissão da radiação desejada, inversão de população. Na

atualidade, há diferentes tipos de ativadores, como: i) sólidos; ii) gasosos e iii)

semicondutores5. O meio ativador deve possuir características como: emissão de

linhas finas e intensas que têm a função de dar ao sistema a característica

monocromática, bandas largas de absorção com a função de coletar energia para o

sistema e tempo de decaimento longo para armazenar energia para o funcionamento

5,17.

O sistema gerador de energia tem um papel fundamental no funcionamento

do laser, uma vez que esse processo gera os fótons para serem amplificados no

sistema óptico. O sistema óptico (ressonador) é constituído por um espelho 100%

refletor e outro parcialmente refletor, que deixa um pouco de luz escapar. Em geral,

essa luz que escapa deve gerar um feixe amplificado pela cascata de decaimento de

elétrons. Seu objetivo é armazenar os fótons e alinhá-los para a sua saída5,17.

O meio ativador e o sistema óptico são os principais constituintes de

funcionamento de um laser5,17. As características dos íons lantanídeos demonstram

que são excelentes constituintes como ativadores para possíveis aplicações em laser,

possuindo emissão com características monocromáticas e tempo de vida longo, que é

ideal para armazenamentos de energia126. As emissões de linhas finas e intensas


22

observadas para os íons lantanídeos, provenientes das transições que ocorrem na

camada 4f, possuem características adequadas para possíveis aplicações em laser,

podendo ser encontrados diversos estudos para os íons trivalentes de Itérbio,

Neodímio, Túlio e Érbio em diversas matrizes127-131. Os íons trivalentes de európio

possuem características fascinantes para aplicação em um sistema de laser na região

do visível, mais especificamente na região do vermelho e, devido à transição 5D0 →

7F2, possuem emissão com características de linhas finas e intensas, além de altos

valores para tempo de vida de luminescência, na ordem de milissegundos (ms)14. O

primeiro laser descrito para o óxido de ítrio dopado com európio foi relatado em 1963

por Chang, N. C., que utilizou uma fonte para gerar inversão da população, bem como

a lâmpada de xenônio e sua operação em temperatura próxima a 220 k123. Outro relato

foi proposto para o material (YVO4:Eu3+) operado em temperatura 90 K e emissão de

619 nm135.

Recentemente foi relatada a deposição de filmes de óxido de ítrio dopado

com európio de espessura de 100 nm sobre filmes de óxido de zinco (ZnO) de

espessura 200 nm. Esse material foi estudado para produção de laser em temperatura

ambiente, em que, para gerar inversão da população, utilizou-se o laser YAG:Nd, com

uma frequência de 355 nm. Foi observado que, ha medida em que a potência do laser

YAG:Nd aumenta, há um aumento desproporcional na absorção do Y2O3:Eu3+/ZnO,

assim tornando a emissão vermelha intensa, verificado pelo autor que a camada de

ZnO absorve e transfere a para Eu3+. Segundo o autor, há duas possibilidades de

absorção referentes ao íon európio para emissão do vermelho 611 nm: i) absorção

394 nm, referente à transição 7F0 → 5L6 e ii) transição 7F0 → 5GJ, J = 2 – 5, ocorrendo

na absorção 381 nm131.

Uma patente publicada em 2006 mostra a utilização de íons trivalentes em

európio em diversas matrizes para produzir um laser vermelho, de forma que os

cristais foram colocados dentro da cavidade do sistema óptico e excitados a 470 nm e

530 nm. Como fonte de excitação, foi utilizado um diodo com emissão no

infravermelho, sendo dobrada sua energia e fornecendo a inversão de população para

o nível 5D0, com emissão em 610 nm. Outra investigação nessa patente é a geração

de um laser emissor em 310 nm, tal emissão sendo referente à transição 5D0 → 7F2.

Nesse processo, a ʋ é dobrada devido ao sistema óptico (ressonador) e ao espelho de

saída apropriado132.

Diversos estudos têm sido desenvolvidos com o íon európio para produção de

laser em matriz vítrea133 e em matrizes cristalinas126,134, estando tais aplicações

diretamente ligadas às suas características de emissões finas e intensas. Essas


23

características fornecem ao laser um caráter monocromático e com elevado teor de

brilho, sendo o tempo de vida desse íon em Y2O3 ideal para armazenamento de

energia que gera lasers energéticos126.

4. CONCLUSÃO

O desenvolvimento tecnológico é de extrema importância para a população,

visando uma melhoria na qualidade de vida. Os íons TR se encontram diretamente

ligados nesse desenvolvimento, devido a suas propriedades luminescentes, de grande

interesse para a produção de novas tecnologias. A fotocatálise para Y2O3:Eu3+ ainda

é uma área precária necessitando de mais pesquisas, embora existam estudos sobre

o óxido de ítrio na conversão de biogás, onde podem ser usados como um suporte ou

com um óxido misto, ainda e uma área em estudo. Por outro lado às demais áreas

como laser, geradores de imagem, células solares e sistemas biológicos são áreas em

que tem recebido grandes destaques nas pesquisas. Sendo o Y2O3 considerado

excelente matriz para aplicação em desenvolvimento tecnológico, devido à baixa

influência do efeito do campo ligante, do ambiente químico e ausência de níveis

eletrônicos nas região do UV ao IV.

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Aplicações Tecnológicas do Sistema Y O dopado com Eu · ) e finais , onde X é o efeito do campo cristalino, ʋ é a frequência da transição, h é a constante de Planck, m é