L'effet des ions cobalt/cuivre sur les propriétés structurelles, thermiques, optiques et d'émission des verres borate d'erbium-zinc-plomb

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12260 (2023) Citer cet article

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Un réseau de verre hôte de 70B2O3–10Pb3O4–18ZnO–2Er2O3 (ErCoCu1) a été proposé et l'impact de 1 % en moles d'ions Co ou/et Cu sur ses propriétés structurelles, thermiques, optiques et d'émission verte a été étudié de manière approfondie. Les spectres de diffraction des rayons X ont confirmé la structure amorphe des verres produits. La densité et le comportement des paramètres basés sur la densité ont montré que les ions Co ou/et Cu remplissent les positions interstitielles du réseau ErCoCu1 proposé, provoquant sa compacité. ATR-FTIR et Raman Spectra ont affirmé la formation des unités structurelles fondamentales du réseau borate, la liaison B – O – B, BO3 et BO4. De plus, la pénétration des ions Co ou/et Cu à l'intérieur de l'ErCoCu1 convertit les unités tétraédriques BO4 en triangle BO3, provoquant sa richesse en oxygènes non pontants. L'ajout de Co ou/et Cu réduit la température de transition vitreuse du fait de la conversion des unités BO4 en BO3. Les spectres d'absorption optique du verre hôte ErCoCu1 ont montré de nombreuses bandes d'absorption distinctes de l'ion Er3+. La pénétration de l'ion Co génère deux larges bandes faisant référence à la présence d'ions Co2+ dans la coordination tétraédrique et octaédrique et d'ions Co3+ dans la coordination tétraédrique. Dans les verres dopés au Cu, les bandes d'absorption caractéristiques de Cu2+ et Cu+ ont été observées. Une émission verte a été générée à partir du verre ErCoCu1 sous une longueur d'onde d'excitation de 380 nm. De plus, aucun effet significatif du Co ou/et du Cu sur les spectres d’émission n’a été enregistré. Les verres considérés présentaient des propriétés appropriées les qualifiant pour des applications en optoélectronique et en optique non linéaire.

Les multiples états d’oxydation des ions de métaux de transition TMI enrichissent les réseaux de verres de nombreuses propriétés optiques, électriques et magnétiques1,2,3. Optiquement, les TMI donnent diverses couleurs spéculaires aux réseaux de verre, ce qui leur confère une capacité d'absorption optique élevée dans les différentes régions du spectre électromagnétique telles que les régions UV, visible et IR4,5,6. Du point de vue de la photoluminescence, les TMI génèrent de larges bandes d’émission ayant une longueur d’onde réglable et un rendement quantique approprié7,8. Électriquement et magnétiquement, les multiples états d'oxydation des TMI apportent des modifications substantielles aux unités structurelles des réseaux de verre en influençant le degré de liberté et le spin de la charge, qui à leur tour affectent directement le processus de conduction et la nature électrique et magnétique du réseau de verre9,10. . Par conséquent, les TMI contenant du verre ont des applications importantes dans les domaines photonique, électronique, optoélectronique et magnétique tels que les diodes électroluminescentes, les filtres optiques, les lasers à semi-conducteurs, l'électronique à commutation de mémoire, les batteries superioniques, la catalyse, les appareils électroniques intelligents et les informations magnétiques. stockage11,12,13. Les ions cobalt (Co2+/Co3+) et cuivre (Cu+/Cu2+) sont les ions de métaux de transition les plus distinctifs pour améliorer les propriétés de divers réseaux de verre. La formation des états de valence mixtes des ions cobalt (Co2+/Co3+) sous des formes géométriques octaédriques (oh) et tétraédriques (Td) à l'intérieur du réseau de verre en fait un matériau favorable dans les absorbeurs solaires sélectifs, les piles à combustible, les matériaux visibles et laser NIR. , supercondensateurs, capteurs de gaz et batteries lithium-ion. Le cobalt confère une couleur bleue ou rose au verre en fonction de la coordination de la forme géométrique des ions Co2+ (tétraédrique ou octaédrique) 14,15,16. L'ajout d'ions Cu aux réseaux de verres génère deux états de valence, Cu+ et Cu2+, lors du processus de préparation dans des conditions normales. Les ions Cu ajoutent généralement une couleur bleue ou verte au réseau de verre. En général, la formation de l’ion cuivre divalent Cu2+ peut être déterminée en fonction de la couleur formée dans le verre. De plus, l'ion Cu2+ forme une large bande d'absorption dans la plage visible-proche infrarouge qui apparaît généralement en raison de la coordination octaédrique de Cu2+, tandis que l'ion cuivreux (cuivre monovalent) Cu+ a une bande d'absorption distincte dans la région UV. Ces bandes d'absorption sont généralement utilisées pour détecter la présence de Cu+ et Cu2+ au sein du réseau vitreux1,3,4,7. Les ions de terres rares RE3+ possèdent des propriétés uniques, dont la principale est la propriété de photoluminescence, qui les a rendus dominants dans de nombreuses applications photoniques et optoélectroniques17,18. L'ion Er3+ fait partie des ions de terres rares qui se caractérisent par sa richesse en niveaux d'énergie, ce qui en fait un émetteur de lumière unique pour diverses régions du spectre telles que la lumière bleue, verte, rouge et blanche17,18. Le verre borate est l'un des réseaux de verres les plus courants en raison de sa grande transparence et de sa grande stabilité thermique, en plus de son faible point de fusion, ce qui facilite son processus de fabrication. Cependant, en raison de son énergie de phonons élevée, qui affecte négativement le rendement quantique de la photoluminescence, le verre borate est renforcé par des oxydes de métaux lourds tels que PbO et Bi2O319,20. D'autre part, l'ajout de PbO améliore les propriétés mécaniques, thermiques et optiques du réseau de verre borate 19,20. De manière générale, le réseau des verres borates, notamment ceux renforcés par des ions de métaux lourds, est un hôte unique pour tous les additifs du verre tels que les ions alcalins (Li+, Na+, etc.), les ions alcalino-terreux (Sr2+, Ba2+, etc.), les ions de métaux de transition. (Zn2+, Co2+/Co3+, Cu+/Cu2+, etc.), les ions métalliques de post-transition (Al3+, Bi3+, etc.) et les ions de terres rares (Er3+, Yb3+, etc.)21,22. Compte tenu de ses caractéristiques uniques susmentionnées et de la multiplicité des propriétés qu'ils confèrent aux réseaux de verre en fonction de la concentration, du type de réseau de verre et de la méthode de préparation, les études continuent d'explorer le rôle efficace des ions de métaux de transition dans l'amélioration des propriétés du verre. améliorer ses performances technologiques dans divers domaines. En 2023, OI Sallam et al. ont étudié l'impact de quatre ions de métaux de transition (CuO, CoO, Fe2O3 et NiO) sur la photoluminescence (PL) et les propriétés diélectriques du 20NaF – 60P2O5 – 20Na2O. Les auteurs ont constaté que l'ajout de CuO et Fe2O3 améliore les paramètres diélectriques du verre considéré, tandis que CoO et NiO réduisent la conductivité alternative. Leur verre de base génère des bandes d'émission à 480 et 530 nm grâce à leur pompage par une longueur d'onde d'excitation de 457 nm. La position et l’intensité des bandes d’émission dépendaient fortement du type de dopant de métal de transition1. Kun Lei et coll. préparé en 2023 le verre de base Na2O – B2O3 – SiO2 par échange d'ions et étudié l'influence des ions Cu+ sur ses propriétés structurelles et de luminescence. Une large bande bleu-vert centrée à 468 nm a été générée sous une longueur d'onde d'excitation de 290 nm et son intensité variait avec l'augmentation du temps d'échange d'ions7.