Síntese e caracterização de nanopartículas de óxido de zinco dopadas com metais de terras raras (cério, érbio, neodímio)
Resumo
Resumo: óxido de zinco (ZnO) tem se destacado como um material de grande importância tecnológica, por causa da sua versatilidade de propriedades física, elétrica, mecânica e química para as suas inúmeras aplicações. As nanopartículas de ZnO em aplicações biomédicas vêm chamando a atenção por sua elevada ação antimicrobiana e não toxicidade, sendo que estas ainda apresentam alta estabilidade, baixo custo, ação antibiótica, biocompatibilidade e segurança. Em sua forma de nanopartícula, o ZnO apresenta algumas mudanças em suas propriedades, tais como, área superficial e estrutural. Grande parte deste desempenho do ZnO reside nas suas propriedades eletrônicas, em que muitos pesquisadores procuram aprimorar e controlar estas propriedades por meio da dopagem. Dentre os elementos para esta dopagem que apresentaram características interessantes e tornaram-se vitais, nas últimas décadas, para uma grande variedade de materiais e tecnologias avançadas, são os metais lantanídeos (terras raras). Com isso, o estudo dos metais terra raras como dopante inserido na matriz do ZnO, vem trazendo um grande interesse por inserir novos níveis de energia no gap do material. Neste trabalho realizamos a modificação da nanoestrutura do ZnO, mediante da dopagem por metais lantanídeos, sendo eles cério (Ce), érbio (Er) e neodímio (Nd). O Ce é elemento mais abundante dentre as terras raras e ele apresenta dois estados de valência, o que pode ser interessante a análise de como este elemento se apresenta na matriz do óxido de zinco. O érbio é interessante, pois possui propriedades espectroscópicas que o diferencia dos demais elementos, como o processo de conversão ascendente de frequências e o neodímio é conhecido como um dos centros luminescentes de terras raras mais eficientes, por conta do seu diagrama de níveis de energia. Ambos os elementos possuem características em que as suas transições se deparam na região infravermelha do espectro. O método utilizado para a síntese das nanopartículas foi o sol-gel com etilenoglicol como agente estabilizante e caracterizamos as nanopartículas para averiguar suas estruturas, morfologias e propriedades químicas, assim como as suas propriedades óticas, por meio de técnicas de caracterização, tais como: Espectroscopia por Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM), Difração de Elétrons em Área Selecionada (SAED), Espectroscopia Raman, Dispersão em Energia de Fótons de Raios X (EDS) e medidas de Fotoluminescência (PL). Observamos que pelas caracterizações realizadas as nanopartículas foram sintetizadas de acordo com o esperado no range de 5 a 15 nm. As nanopartículas de ZnO puras se apresentam cristalinas, homogêneas e com estrutura hexagonal. As nanopartículas de ZnO dopadas mostraram a incorporação dos íons dopantes na matriz até certa quantidade inserida na solução. Houve formação de fases secundárias que podem ser atribuídas pela segregação dos íons. No caso do cério a incorporação de íons promove uma transferência de cargas das vacâncias neutras de oxigênio para os íons Ce4+, aumentando vacâncias de oxigênio positivamente carregadas. Para o érbio e o neodímio há o mecanismo de emissão dos íons trivalentes intermedida pelos defeitos nativos do ZnO. Com isso, os defeitos internos podem aumentar a probabilidade de transições de íons terras-raras incorporados à matriz quando os dopantes são inseridos em baixas concentrações. Abstract: Zinc oxide (ZnO) has stood out as a material of great technological importance, because of its versatility of physical, electrical, mechanical and chemical properties for its numerous applications. ZnO nanoparticles in biomedical applications have drawn attention for their high antimicrobial resistence and non-toxicity, and these still intruduce high stability, low cost, antibiotic action, biocompatibility and safety. ZnO in nanoparticle form presents some changes in its properties, such as surface and structural area. Much of this performance of ZnO resides in its eletronic properties, wherein many researchers seek to improve and control these properties through doping. Among the elements for this doping that has been showing interesting features and became vital in recent decades are lanthanide metals (rare earths). Thus, the study of rare earth metals as a dopant inserted in the ZnO matrix has brought great interest in inserting new energy levels into the material gap. In this work we performed the modification of the nanostructure of The ZnO, through doping by lanthanide metals, cerio (Ce), erbium (Er) and neodymium (Nd). Ce is the most plenty element mid rare earths and it presents two states of valence, which may be interesting to analyze how this element behaves in the zinc oxide matrix. The erbium is interesting because it has spectroscopic properties that differentiate it from other elements, such as the process of ascending conversion of frequencies and neodymium is known as one of the most efficient luminescent centers of rare earths, because of its diagram of energy levels. Both elements have characteristics in which their transitions are in the infrared region of the spectrum. The method used for the synthesis of nanoparticles was sol-gel with ethylene glycol as a stabilizing agent and we characterized the nanoparticles to ascertain their structures, morphologies and chemical properties, as well as their optical properties, through characterization techniques such as: Transmission Electron Microscopy (TEM), Selected Area Electron Diffraction (SAED), Raman spectroscopy, Energy Dispersion Spectroscopy (EDS) and Photoluminescence (PL) measurements. We observed that by the characterizations performed the nanoparticles were synthesized according to the expected in the range of 5 to 15 nm. Pure ZnO nanoparticles are crystalline, homogeneous and hexagonal structure. The doped ZnO nanoparticles demonstrated the incorporation of the doping ions into the matrix up to a certain amount inserted in the solution. There was formation of secondary phases that can be attributed by the segregation of ions. In the case of cerium, the incorporation promotes a transfer of charges from neutral oxygen vacancies to Ce4+ ions and positively charged oxygen vacancies increase. For the erbium and neodymium there is the mechanism of emission of trivalent ions by native defects of ZnO. With this, internal defects can increase the probability of rare earth ion transitions incorporated into the matrix when the dopants are inserted in low concentrations.
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