Amorphization kinectics under swift heavy ion irradiation: a cumulative overlapping-track approach

A simple illustrative physical model is presented to describe the kinetics of damage and amorphization by swiftheavyions (SHI) in LiNbO3. The model considers that every ion impact generates initially a defective region (halo) and a full amorphous core whose relative size depends on the electronic stopping power. Below a given stopping power threshold only a halo is generated. For increasing fluences the amorphized area grows monotonically via overlapping of a fixed number N of halos. In spite of its simplicity the model, which provides analytical solutions, describes many relevant features of the kinetic behaviour. In particular, it predicts approximate Avrami curves with parameters depending on stopping power in qualitative accordance with experiment that turn into Poisson laws well above the threshold value

Kinetics of amorphization induced by swift heavy ions in α-quartz

The kinetics of amorphization in crystalline SiO2 (α-quartz) under irradiation with swift heavy ions (O+1 at 4 MeV, O+4 at 13 MeV, F+2 at 5 MeV, F+4 at 15 MeV, Cl+3 at 10 MeV, Cl+4 at 20 MeV, Br+5 at 15 and 25 MeV and Br+8 at 40 MeV) has been analyzed in this work with an Avrami-type law and also with a recently developed cumulative approach (track-overlap model). This latter model assumes a track morphology consisting of an amorphous core (area σ) and a surrounding defective halo (area h), both being axially symmetric. The parameters of the two approaches which provide the best fit to the experimental data have been obtained as a function of the electronic stopping power Se. The extrapolation of the σ(Se) dependence yields a threshold value for amorphization, Sth ≈ 2.1 keV/nm; a second threshold is also observed around 4.1 keV/nm. We believe that this double-threshold effect could be related to the appearance of discontinuous tracks in the region between 2.1 and 4.1 keV/nm. For stopping power values around or below the lower threshold, where the ratio h/σ is large, the track-overlap model provides a much better fit than the Avrami function. Therefore, the data show that a right modeling of the amorphization kinetics needs to take into account the contribution of the defective track halo. Finally, a short comparative discussion with the kinetic laws obtained for elastic collision damage is given.

Ionoluminescence as sensor of structural disorder in crystalline SiO2: determination of amorphization threshold by swift heavy ions

Ionoluminescence (IL) has been used in this work as a sensitive tool to probe the microscopic electronic processes and structural changes produced on quartz by the irradiation with swift heavy ions. The IL yields have been measured as a function of irradiation fluence and electronic stopping power. The results are consistent with the assignment of the 2.7 eV (460 nm) band to the recombination of self-trapped excitons at the damaged regions in the irradiated material. Moreover, it was possible to determine the threshold for amorphization by a single ion impact, as 1:7 keV/nm, which agrees well with the results of previous studies.

Atomistic modeling of Ge damage accumulation, amorphization and solid phase epitaxial regrowth

En los últimos años, el Ge ha ganado de nuevo atención con la finalidad de ser integrado en el seno de las existentes tecnologías de microelectrónica. Aunque no se le considera como un canddato capaz de reemplazar completamente al Si en el futuro próximo, probalemente servirá como un excelente complemento para aumentar las propiedades eléctricas en dispositivos futuros, especialmente debido a su alta movilidad de portadores. Esta integración requiere de un avance significativo del estado del arte en los procesos de fabricado. Técnicas de simulación, como los algoritmos de Monte Carlo cinético (KMC), proporcionan un ambiente atractivo para llevar a cabo investigación y desarrollo en este campo, especialmente en términos de costes en tiempo y financiación. En este estudio se han usado, por primera vez, técnicas de KMC con el fin entender el procesado “front-end” de Ge en su fabricación, específicamente la acumulación de dañado y amorfización producidas por implantación iónica y el crecimiento epitaxial en fase sólida (SPER) de las capas amorfizadas. Primero, simulaciones de aproximación de clisiones binarias (BCA) son usadas para calcular el dañado causado por cada ión. La evolución de este dañado en el tiempo se simula usando KMC sin red, o de objetos (OKMC) en el que sólamente se consideran los defectos. El SPER se simula a través de una aproximación KMC de red (LKMC), siendo capaz de seguir la evolución de los átomos de la red que forman la intercara amorfo/cristalina. Con el modelo de amorfización desarrollado a lo largo de este trabajo, implementado en un simulador multi-material, se pueden simular todos estos procesos. Ha sido posible entender la acumulación de dañado, desde la generación de defectos puntuales hasta la formación completa de capas amorfas. Esta acumulación ocurre en tres regímenes bien diferenciados, empezando con un ritmo lento de formación de regiones de dañado, seguido por una rápida relajación local de ciertas áreas en la fase amorfa donde ambas fases, amorfa y cristalina, coexisten, para terminar en la amorfización completa de capas extensas, donde satura el ritmo de acumulación. Dicha transición ocurre cuando la concentración de dañado supera cierto valor límite, el cual es independiente de las condiciones de implantación. Cuando se implantan los iones a temperaturas relativamente altas, el recocido dinámico cura el dañado previamente introducido y se establece una competición entre la generación de dañado y su disolución. Estos efectos se vuelven especialmente importantes para iones ligeros, como el B, el cual crea dañado más diluido, pequeño y distribuido de manera diferente que el causado por la implantación de iones más pesados, como el Ge. Esta descripción reproduce satisfactoriamente la cantidad de dañado y la extensión de las capas amorfas causadas por implantación iónica reportadas en la bibliografía. La velocidad de recristalización de la muestra previamente amorfizada depende fuertemente de la orientación del sustrato. El modelo LKMC presentado ha sido capaz de explicar estas diferencias entre orientaciones a través de un simple modelo, dominado por una única energía de activación y diferentes prefactores en las frecuencias de SPER dependiendo de las configuraciones de vecinos de los átomos que recristalizan. La formación de maclas aparece como una consecuencia de esta descripción, y es predominante en sustratos crecidos en la orientación (111)Ge. Este modelo es capaz de reproducir resultados experimentales para diferentes orientaciones, temperaturas y tiempos de evolución de la intercara amorfo/cristalina reportados por diferentes autores. Las parametrizaciones preliminares realizadas de los tensores de activación de tensiones son también capaces de proveer una buena correlación entre las simulaciones y los resultados experimentales de velocidad de SPER a diferentes temperaturas bajo una presión hidrostática aplicada. Los estudios presentados en esta tesis han ayudado a alcanzar un mejor entendimiento de los mecanismos de producción de dañado, su evolución, amorfización y SPER para Ge, además de servir como una útil herramienta para continuar el trabajo en este campo. In the recent years, Ge has regained attention to be integrated into existing microelectronic technologies. Even though it is not thought to be a feasible full replacement to Si in the near future, it will likely serve as an excellent complement to enhance electrical properties in future devices, specially due to its high carrier mobilities. This integration requires a significant upgrade of the state-of-the-art of regular manufacturing processes. Simulation techniques, such as kinetic Monte Carlo (KMC) algorithms, provide an appealing environment to research and innovation in the field, specially in terms of time and funding costs. In the present study, KMC techniques are used, for the first time, to understand Ge front-end processing, specifically damage accumulation and amorphization produced by ion implantation and Solid Phase Epitaxial Regrowth (SPER) of the amorphized layers. First, Binary Collision Approximation (BCA) simulations are used to calculate the damage caused by every ion. The evolution of this damage over time is simulated using non-lattice, or Object, KMC (OKMC) in which only defects are considered. SPER is simulated through a Lattice KMC (LKMC) approach, being able to follow the evolution of the lattice atoms forming the amorphous/crystalline interface. With the amorphization model developed in this work, implemented into a multi-material process simulator, all these processes can be simulated. It has been possible to understand damage accumulation, from point defect generation up to full amorphous layers formation. This accumulation occurs in three differentiated regimes, starting at a slow formation rate of the damage regions, followed by a fast local relaxation of areas into the amorphous phase where both crystalline and amorphous phases coexist, ending in full amorphization of extended layers, where the accumulation rate saturates. This transition occurs when the damage concentration overcomes a certain threshold value, which is independent of the implantation conditions. When implanting ions at relatively high temperatures, dynamic annealing takes place, healing the previously induced damage and establishing a competition between damage generation and its dissolution. These effects become specially important for light ions, as B, for which the created damage is more diluted, smaller and differently distributed than that caused by implanting heavier ions, as Ge. This description successfully reproduces damage quantity and extension of amorphous layers caused by means of ion implantation reported in the literature. Recrystallization velocity of the previously amorphized sample strongly depends on the substrate orientation. The presented LKMC model has been able to explain these differences between orientations through a simple model, dominated by one only activation energy and different prefactors for the SPER rates depending on the neighboring configuration of the recrystallizing atoms. Twin defects formation appears as a consequence of this description, and are predominant for (111)Ge oriented grown substrates. This model is able to reproduce experimental results for different orientations, temperatures and times of evolution of the amorphous/crystalline interface reported by different authors. Preliminary parameterizations for the activation strain tensors are able to also provide a good match between simulations and reported experimental results for SPER velocities at different temperatures under the appliance of hydrostatic pressure. The studies presented in this thesis have helped to achieve a greater understanding of damage generation, evolution, amorphization and SPER mechanisms in Ge, and also provide a useful tool to continue research in this field.

Ionoluminescence induced by swift heavy ions in silica and quartz: a comparative analysis

Ionoluminescence (IL) of the two SiO2 phases, amorphous silica and crystalline quartz, has been comparatively investigated in this work, in order to learn about the structural defects generated by means of ion irradiation and the role of crystalline order on the damage processes. Irradiations have been performed with Cl at 10 MeV and Br at 15 MeV, corresponding to the electronic stopping regime (i.e., where the electronic stopping power Se is dominant) and well above the amorphization threshold. The light-emission kinetics for the two main emission bands, located at 1.9 eV (652 nm) and 2.7 eV (459 nm), has been measured under the same ion irradiation conditions as a function of fluence for both, silica and quartz. The role of electronic stopping power has been also investigated and discussed within current views for electronic damage. Our experiments provide a rich phenomenological background that should help to elucidate the mechanisms responsible for light emission and defect creation.

Crack mechanical failure in lithium niobate crystal under ion irradiation; novel simulation by extended finite elements

Swift heavy ion irradiation (ions with mass heavier than 15 and energy exceeding MeV/amu) transfer their energy mainly to the electronic system with small momentum transfer per collision. Therefore, they produce linear regions (columnar nano-tracks) around the straight ion trajectory, with marked modifications with respect to the virgin material, e.g., phase transition, amorphization, compaction, changes in physical or chemical properties. In the case of crystalline materials the most distinctive feature of swift heavy ion irradiation is the production of amorphous tracks embedded in the crystal. Lithium niobate is a relevant optical material that presents birefringence due to its anysotropic trigonal structure. The amorphous phase is certainly isotropic. In addition, its refractive index exhibits high contrast with those of the crystalline phase. This allows one to fabricate waveguides by swift ion irradiation with important technological relevance. From the mechanical point of view, the inclusion of an amorphous nano-track (with a density 15% lower than that of the crystal) leads to the generation of important stress/strain fields around the track. Eventually these fields are the origin of crack formation with fatal consequences for the integrity of the samples and the viability of the method for nano-track formation. For certain crystal cuts (X and Y), these fields are clearly anisotropic due to the crystal anisotropy. We have used finite element methods to calculate the stress/strain fields that appear around the ion-generated amorphous nano-tracks for a variety of ion energies and doses. A very remarkable feature for X cut-samples is that the maximum shear stress appears on preferential planes that form +/-45º with respect to the crystallographic planes. This leads to the generation of oriented surface cracks when the dose increases. The growth of the cracks along the anisotropic crystal has been studied by means of novel extended finite element methods, which include cracks as discontinuities. In this way we can study how the length and depth of a crack evolves as function of the ion dose. In this work we will show how the simulations compare with experiments and their application in materials modification by ion irradiation.

Crack mechanical failure in ceramic materials under ion irradiation: case of lithium niobate crystal

Swift heavy ion irradiation (ions with mass heavier than 15 and energy exceeding MeV/amu) transfer their energy mainly to the electronic system with small momentum transfer per collision. Therefore, they produce linear regions (columnar nano-tracks) around the straight ion trajectory, with marked modifications with respect to the virgin material, e.g., phase transition, amorphization, compaction, changes in physical or chemical properties. In the case of crystalline materials the most distinctive feature of swift heavy ion irradiation is the production of amorphous tracks embedded in the crystal. Lithium niobate is a relevant optical material that presents birefringence due to its anysotropic trigonal structure. The amorphous phase is certainly isotropic. In addition, its refractive index exhibits high contrast with those of the crystalline phase. This allows one to fabricate waveguides by swift ion irradiation with important technological relevance. From the mechanical point of view, the inclusion of an amorphous nano-track (with a density 15% lower than that of the crystal) leads to the generation of important stress/strain fields around the track. Eventually these fields are the origin of crack formation with fatal consequences for the integrity of the samples and the viability of the method for nano-track formation. For certain crystal cuts (X and Y), these fields are clearly anisotropic due to the crystal anisotropy. We have used finite element methods to calculate the stress/strain fields that appear around the ion- generated amorphous nano-tracks for a variety of ion energies and doses. A very remarkable feature for X cut-samples is that the maximum shear stress appears on preferential planes that form +/-45º with respect to the crystallographic planes. This leads to the generation of oriented surface cracks when the dose increases. The growth of the cracks along the anisotropic crystal has been studied by means of novel extended finite element methods, which include cracks as discontinuities. In this way we can study how the length and depth of a crack evolves as function of the ion dose. In this work we will show how the simulations compare with experiments and their application in materials modification by ion irradiation.

Ionoluminescence on α-quartz: mechanisms and modeling

Ionoluminescence of α - quartz exhibits two dominant emission bands peaking at 1.9 eV. (NBOHCs) and 2.7 eV (STEs. The evolution of the red emission yield does not show a correlation with the concentrations of neither the NBOHC nor with that of other color centers. The blue emission yield closely follows the amorphization kinetics independently measured by RBS/C spectrometry. A simple theoretical model has been proposed; it assumes that the formation and recombination of STEs are the primary event and both, the light emissions and the lattice structural damage are a consequence this phenomenon. The model leads to several simple mathematical equations that can be used to simulate the IL yields and provide a reasonable fit to experimental kinetic data.

Capacidad y comportamiento de la adsorción de fenol en caolines naturales y modificados

En la actualidad las industrias químicas, farmacéuticas y clínicas, originan contaminantes en aguas superficiales, aguas subterráneas y suelos de nuestro país, como es el caso del fenol, contaminante orgánico común y altamente dañino para los organismos, incluso a bajas concentraciones. Existen en el mercado diferentes metodologías para minimizar la contaminación pero muchos de estos procesos tienen un alto coste, generación de contaminantes, etc. La adsorción de contaminantes por medio de arcillas es un método ampliamente utilizado, encontrándose eficaz y económico. Pero la dificultad de adsorber un contaminante orgánico como el fenol motiva la creación de un material llamado organoarcillas. Las organoarcillas son arcillas modificadas con un surfactante, a su vez, los surfactantes son moléculas orgánicas que confieren a la superficie de la arcilla carga catiónica en lugar de aniónica, haciendo más fácil la adsorción de fenol. Para esta tesis se ha elegido el caolín como material adsorbente, fácilmente disponible y relativamente de bajo coste. Se ha trabajado con: arenas de caolín, material directo de la extracción, y caolín lavado, originado del proceso de lavado de las arenas de caolín. Ambos grupos se diferencian fundamentalmente por su contenido en cuarzo, ampliamente mayor en las arenas de caolín. Con el objetivo de desarrollar un material a partir del caolín y arenas de éste con capacidad de retención de contaminates, en concreto, fenol, se procedió a modificar los materiales de partida mediante tratamientos térmicos, mecánicos y/o químicos, dando lugar a compuestos con mayor superficie química reactiva. Para ello se sometió el caolín y las arenas caoliníferas a temperaturas de 750ºC durante 3h, a moliendas hasta alcanzar su amorfización, y/o a activaciones con HCl 6M o con NaOH 5M durante 3h a 90ºC. En total se obtuvieron 18 muestras, en las que se estudiaron las características físico-químicas, mineralógicas y morfológicas de cada una de ellas con el fin de caracterizarlas después de haber sufrido los tratamientos y/o activaciones químicas. Los cambios producidos fueron estudiados mediante pH, capacidad de intercambio catiónico (CEC), capacidad de adsorción de agua (WCU y CWC), distribución de tamaño de partícula (PSD), área de superficie específica (SBET), difracción de rayos X (XRD), espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), métodos térmicos (TG, DTG y DTA), y microscopía electrónica de transmisión y barrido (SEM y TEM). Además se analizó los cambios producidos por los tratamientos en función de las pérdidas de Al y Si que acontece en las 18 muestras. Los resultados para los materiales derivados de la arenas caoliníferas fueron similares a los obtenidos para los caolines lavados, la diferencia radica en la cantidad de contenido de caolinita en los diferente grupos de muestras. Apoyándonos en las técnicas de caracterización se puede observar que los tratamientos térmico y molienda produce materiales amorfos, este cambio en la estructura inicial sumado a las activaciones ácida y alcalina dan lugar a pérdidas de Si y Al, ocasionando que sus propiedades físico-químicas, mineralógicas y morfológicas se vean alteradas. Un fuerte aumento es observado en las áreas superficiales y en la CEC en determinadas muestras, además entre los cambios producidos se encuentra la producción de diferentes zeolitas en porcentajes distintos con el tratamiento alcalino. Para la obtención de las organoarcillas, las 18 muestras se sometieron a la surfactación con hexadeciltrimetil amonio (HDTMA) 20 mM durante 24h a 60ºC, esta concentración de tensioactivo fue más alta que la CEC de cada muestra. Los camext bios anteriormente producidos por los tratamientos y activaciones, afectan de forma diferente en la adsorción de HDTMA, variando por tanto la adsorción del surfactante en la superficie de las muestras. Se determinó el tensioactivo en superficie por FTIR, además se realizó un análisis de componentes principales (PCA) para examinar la dependencia entre las relaciones Si/Al de las muestras en la capacidad de adsorción de tensioactivo, y para el estudio de la adsorción de HDTMA en las muestras se realizaron además del análisis termogravimétrico, aproximaciones con los modelos de Freundllich y Langmuir. Se persigue conocer las diferentes formas y maneras que tiene el tensioactivo de fijarse en la superficie de las muestras. En las organoarcillas resultantes se cuantificó el fenol adsorbido cuando éstas fueron puestas en contacto con diferentes concentraciones de fenol: 50, 500, 1000, 2000, y 2500 mg/l durante 24h. El contaminante sorbido se calculó por medio de cromatografía de gases, y se realizaron aproximaciones con los modelos de Freundllich y Langmuir. El comportamiento de adsorción de fenol en arcillas orgánicas es regido por las características de las muestras. De forma general se puede decir que las muestras de caolines lavados tienen más capacidad de adsorción de fenol que las muestras de arenas de caolín y que la activación alcalina ha proporcionado una mejora en la adsorción de fenol en los dos grupos. En consecuencia se han obtenido materiales adsorbentes heterogéneos y por tanto, con propiedades diferentes. Se ha evaluado el comportamiento global de las arenas de caolín por un lado y del caolín lavado por otro. Las arenas de caolín presentan altos niveles de cuarzo y su uso para ciertos tipos de industrias no son recomendados en ocasiones por el alto costo que el proceso de limpieza y purificación implicaría. Por ello es importante reseñar en este proyecto las aplicaciones que ofrecen algunas muestras de este grupo. Los ensayos acontecidos en esta tesis han dado lugar a las siguientes publicaciones: • Pérdida de Al y Si en caolines modificados térmica- o mecánicamente y activados por tratamientos químicos. A. G. San Cristóbal, C Vizcayno, R. Castelló. Macla 9, 113-114. (2008). • Acid activation of mechanically and thermally modfied kaolins. A. G. San Cristóbal, R. Castelló, M. A. Martín Luengo, C Vizcayno. Mater. Res. Bull. 44 (2009) 2103-2111. • Zeolites prepared from calcined and mechanically modified kaolins. A comparative study. A. G San Cristóbal, R. Castelló, M. A. Martín Luengo, C Vizcayno. Applied Clay Science 49 (2010) 239-246. • Study comparative of the sorption of HDTMA on natural and modified kaolin. A. G San Cristóbal, R. Castelló, J. M. Castillejo, C Vizcayno. Aceptada en Clays and Clay minerals. • Capacity of modified kaolin sand and washed kaolin to adsorb phenol. A. G San Cristóbal, R. Castelló, C Vizcayno. Envío a revista sujeto a la publicación del artículo anterior. ABSTRACT Today’s chemical, pharmaceutical and clinical industries generate pollutants that affect the soils and surface and ground waters of our country. Among these, phenol is a common organic pollutant that is extremely harmful to living organisms, even at low concentrations. Several protocols exist to minimize the effects of pollutants, but most are costly procedures or even generate other pollutants. The adsorption of hazardous materials onto clays is perhaps the most used, efficient and cost-saving method available. However, organic compounds such as phenol are difficult to adsorb and this has led to the development of materials known as organoclays, which are much better at remediating organic compounds. Organoclays are clays that have been modified using a surfactant. In turn, surfactants are organic molecules that confer a cationic rather than anionic charge to the clay surface, improving it’s capacity to adsorb phenol. For this doctorate project, kaolin was selected as an adsorbent material for the removal of phenol given its easy sourcing and relatively low cost. The materials investigated were kaolin sand, a directly extracted material, and washed kaolin, which is the byproduct of the kaolin sand washing process. The main difference between the materials is their quartz content, which is much higher in the kaolin sands. To generate a product from kaolin or kaolin sand capable of retaining organic pollutants such as phenol, both materials were subjected to several heat, chemical and/or mechanical treatments to give rise to compounds with a greater reactive surface area. To this end the two starting materials underwent heating at 750ºC for 3 h, grinding to the point of amorphization and/or activation with HCl 6M or NaOH 5M for 3 h at 90ºC. These treatments gave rise to 18 processed samples, which were characterized in terms of their morphological, mineralogical, and physical-chemical properties. The behaviour of these new materials was examined in terms of their pH, cation exchange capacity (CEC), water adsorption capacity (WCU and WCC), particle size distribution (PSD), specific surface area (SBET), and their X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), thermal (DTG, DTA) and scanning and transmission electron microscopy (SEM and TEM) properties. The changes conferred by the different treatments were also examined in terms of Al and Si losses. Results for the materials derived from kaolin sands and washed kaolin were similar, with differences attributable to the kaolinite contents of the samples. The treatments heat and grinding produced amorphous materials, which when subjected to acid or alkali activation gave rise to Si and Al losses. This in turn led to a change in physico- chemical, mineralogical and morphological properties. Some samples showed a highly increased surface area and CEC. Further, among the changes produced, alkali treatment led to the generation of zeolites in different proportions depending on the sample. To produce the organoclays, the 18 samples were surfacted with hexadecyltrimethylammonium (HDTMA) 20 mM for 24 h at 60ºC. This surfactant concentration is higher than the CEC of each sample. The amount of HDTMA adsorbed onto the surface of each sample determined by FTIR varied according to treatment. A principle components analysis (PCA) was performed to examine correlations between sample Si/Al ratios and surfactant adsorption capacity. In addition, to explore HDTMA adsorption by the samples, DTG and DTA data were fitted to Freundllich and Langmuir models. The mechanisms of surfactant attachment to the sample surface were also addressed. The amount of phenol adsorbed by the resultant organoclays was determined when exposed to different phenol concentrations: 50, 500, 1000, 2000, and 2500 mg/l for 24 h. The quantity of adsorbed pollutant was estimated by gas chromatography and the data fitted to the models of Freundllich and Langmuir. Results indicate that the phenol adsorption capacity of the surfacted samples is dependent on the sample’s characteristics. In general, the washed kaolin samples showed a greater phenol adsorption capacity than the kaolon sands and alkali activation improved this capacity in the two types of sample. In conclusion, the treatments used gave rise to adsorbent materials with varying properties. Kaolin sands showed high quartz levels and their use in some industries is not recommended due to the costs involved in their washing and purification. The applications suggested by the data obtained for some of the kaolin sand samples indicate the added value of this industrial by-product. The results of this research project have led to the following publications: • Pérdida de Al y Si en caolines modificados térmica- o mecánicamente y activados por tratamientos químicos. A. G. San Cristóbal, C Vizcayno, R. Castelló. Macla 9, 113-114. (2008). • Acid activation of mechanically and thermally modfied kaolins. A. G. San Cristóbal, R. Castelló, M. A. Martín Luengo, C Vizcayno. Mater. Res. Bull. 44 (2009) 2103-2111. • Zeolites prepared from calcined and mechanically modified kaolins. A comparative study. A. G. San Cristóbal, R. Castelló, M. A. Martín Luengo, C Vizcayno. Applied Clay Science 49 (2010) 239-246. • Study comparative of the sorption of HDTMA on natural and modified kaolin. A. G. San Cristóbal, R. Castelló, J. M. Castillejo, C Vizcayno Accepted in Clays and Clay minerals. • Capacity of modified kaolin sand and washed kaolin to adsorb phenol. A. G San Cristóbal, R. Castelló, C Vizcayno. Shipment postponed, subject to the publication of the previous article.

Diseño y síntesis de materiales nanoestructurados basados en aluminatos de estroncio con propiedades fotoluminiscentes

Durante la última década, se han llevado acabo numeroso estudios sobre la síntesis de materiales fotoluminiscentes sub-micrónicos, en gran medida, al amplio número de aplicaciones que demandan este tipo de materiales. En concreto dentro de los materiales fosforescentes o también denominados materiales con una prolongada persistencia de la luminiscencia, los estudios se han enfocado en la matriz de SrAl2O4 dopada con Europio (Eu2+) y Disprosio (Dy3+) dado que tiene mayor estabilidad y persistencia de la fosforescencia con respecto a otras matrices. Estos materiales se emplean mayoritariamente en pinturas luminiscentes, tintas, señalización de seguridad pública, cerámicas, relojes, textiles y juguetes fosforescentes. Dado al amplio campo de aplicación de los SrAl2O4:Eu, Dy, se han investigado múltiples rutas de síntesis como la ruta sol-gel, la síntesis hidrotermal, la síntesis por combustión, la síntesis láser y la síntesis en estado sólido con el fin de desarrollar un método eficiente y que sea fácilmente escalable. Sin embargo, en la actualidad el método que se emplea para el procesamiento a nivel industrial de los materiales basados en aluminato de estroncio es la síntesis por estado sólido, que requiere de temperaturas de entre 1300 a 1900oC y largos tiempos de procesamiento. Además el material obtenido tiene un tamaño de partícula de 20 a 100 μm; siendo este tamaño restrictivo para el empleo de este tipo de material en determinadas aplicaciones. Por tanto, el objetivo de este trabajo es el desarrollo de nuevas estrategias que solventen las actuales limitaciones. Dentro de este marco se plantean una serie de objetivos específicos: Estudio de los parámetros que gobiernan los procesos de reducción del tamaño de partícula mediante molienda y su relación en la respuesta fotoluminiscente. Estudio de la síntesis por combustión de SrAl2O4:Eu, Dy, evaluando el efecto de la temperatura y la cantidad de combustible (urea) en el proceso para la obtención de partículas cristalinas minimizando la presencia de fases secundarias. Desarrollo de nuevas rutas de síntesis de SrAl2O4:Eu, Dy empleando el método de sales fundidas. Determinación de los mecanismos de reacción en presencia de la sal fundida en función de los parámetros de proceso que comprende la relación de sales y reactivos, la naturaleza de la alúmina y su tamaño, la temperatura y atmósfera de tratamiento. Mejora de la eficiencia de los procesos de síntesis para obtener productos con propiedades finales óptimas en procesos factibles industrialmente para su transferencia tecnológica. Es este trabajo han sido evaluados los efectos de diferentes procesos de molienda para la reducción del tamaño de partícula del material de SrAl2O4:Eu, Dy comercial. En el proceso de molienda en medio húmedo por atrición se observa la alteración de la estructura cristalina del material debido a la reacción de hidrólisis generada incluso empleando como medio líquido etanol absoluto. Con el fin de solventar las desventajas de la molienda en medio húmedo se llevo a cabo un estudio de la molturación en seco del material. La molturación en seco de alta energía reduce significativamente el tamaño medio de partícula. Sin embargo, procesos de molienda superiores a una duración de 10 minutos ocasionan un aumento del estado de aglomeración de las partículas y disminuyen drásticamente la respuesta fotoluminiscente del material. Por tanto, se lleva a cabo un proceso de molienda en seco de baja energía. Mediante este método se consigue reducir el tamaño medio de partícula, d50=2.8 μm, y se mejora la homogeneidad de la distribución del tamaño de partícula evitando la amorfización del material. A partir de los resultados obtenidos mediante difracción de rayos X y microscopia electrónica de barrido se infiere que la disminución de la intensidad de la fotoluminiscencia después de la molienda en seco de alta energía con respecto al material inicial se debe principalmente a la reducción del tamaño de cristalito. Se observan menores variaciones en la intensidad de la fotoluminiscencia cuando se emplea un método de molienda de baja de energía ya que en estos procesos se preserva el dominio cristalino y se reduce la amorfización significativamente. Estos resultados corroboran que la intensidad de la fotoluminiscencia y la persistencia de la luminiscencia de los materiales de SrAl2O4:Eu2+, Dy3+ dependen extrínsecamente de la morfología de las partículas, del tamaño de partícula, el tamaño de grano, los defectos superficiales e intrínsecamente del tamaño de cristalito. Siendo las características intrínsecas las que dominan con respecto a las extrínsecas y por tanto tienen mayor relevancia en la respuesta fotoluminiscente. Mediante síntesis por combustión se obtuvieron láminas nanoestructuradas de SrAl2O4:Eu, Dy de ≤1 μm de espesor. La cantidad de combustible, urea, en la reacción influye significativamente en la formación de determinadas fases cristalinas. Para la síntesis del material de SrAl2O4:Eu, Dy es necesario incluir un contenido de urea mayor que el estequiométrico (siendo m=1 la relación estequiométrica). La incorporación de un exceso de urea (m>1) requiere de la presencia de un agente oxidante interno, HNO3, para que la reacción tenga lugar. El empleo de un mayor contenido de urea como combustible permite una quelación efectiva de los cationes en el sistema y la creación de las condiciones reductoras para obtener un material de mayor cristalinidad y con mejores propiedades fotoluminiscentes. El material de SrAl2O4:Eu, Dy sintetizado a una temperatura de ignición de 600oC tiene un tamaño medio 5-25 μm con un espesor de ≤1 μm. Mediante procesos de molturación en seco de baja energía es posible disminuir el tamaño medio de partícula ≈2 μm y homogenizar la distribución del tamaño de partícula pero hay un deterioro asociado de la respuesta luminiscente. Sin embargo, se puede mejorar la respuesta fotoluminiscente empleando un tratamiento térmico posterior a 900oC N2-H2 durante 1 hora que no supone un aumento del tamaño de partícula pero si permite aumentar el tamaño de cristalito y la reducción del Eu3+ a Eu2+. Con respecto a la respuesta fotoluminiscente, se obtiene valores de la intensidad de la fotoluminiscencia entre un 35%-21% con respecto a la intensidad de un material comercial de referencia. Además la intensidad inicial del decaimiento de la fosforescencia es un 20% de la intensidad del material de referencia. Por tanto, teniendo en cuenta estos resultados, es necesario explorar otros métodos de síntesis para la obtención de los materiales bajo estudio. Por esta razón, en este trabajo se desarrollo una ruta de síntesis novedosa para sintetizar SrAl2O4:Eu, Dy mediante el método de sales fundidas para la obtención de materiales de gran cristalinidad con tamaños de cristalito del orden nanométrico. Se empleo como sal fundente la mezcla eutéctica de NaCl y KCl, denominada (NaCl-KCl)e. La principal ventaja de la incorporación de la mezcla es el incremento la reactividad del sistema, reduciendo la temperatura de formación del SrAl2O4 y la duración del tratamiento térmico en comparación con la síntesis en estado sólido. La formación del SrAl2O4 es favorecida ya que se aumenta la difusión de los cationes de Sr2+ en el medio líquido. Se emplearon diferentes tipos de Al2O3 para evaluar el papel del tamaño de partícula y su naturaleza en la reacción asistida por sales fundidas y por tanto en la morfología y propiedades del producto final. Se obtuvieron partículas de morfología pseudo-esférica de tamaño ≤0.5 μm al emplear como alúmina precursora partículas sub-micrónicas ( 0.5 μm Al2O3, 0.1 μm Al2 O3 y γ-Al2O3). El mecanismo de reacción que tiene lugar se asocia a procesos de disolución-precipitación que dominan al emplear partículas de alúmina pequeñas y reactivas. Mientras al emplear una alúmina de 6 μm Al2O3 prevalecen los procesos de crecimiento cristalino siguiendo un patrón o plantilla debido a la menor reactividad del sistema. La nucleación y crecimiento de nanocristales de SrAl2O4:Eu, Dy se genera sobre la superficie de la alúmina que actúa como soporte. De esta forma se desarrolla una estructura del tipo coraza-núcleo («core-shell» en inglés) donde la superficie externa está formada por los cristales fosforescentes de SrAl2O4 y el núcleo está formado por alúmina. Las partículas obtenidas tienen una respuesta fotoluminiscente diferente en función de la morfología final obtenida. La optimización de la relación Al2O3/SrO del material de SrAl2O4:Eu, Dy sintetizado a partir de la alúmina de 6 μm permite reducir las fases secundarias y la concentración de dopantes manteniendo la respuesta fotoluminiscente. Comparativamente con un material comercial de SrAl2O4:Eu, Dy de referencia, se han alcanzado valores de la intensidad de la emisión de hasta el 90% y de la intensidad inicial de las curvas de decaimiento de la luminiscencia de un 60% para el material sintetizado por sales fundidas que tiene un tamaño medio ≤ 10μm. Por otra parte, es necesario tener en cuenta que el SrAl2O4 tiene dos polimorfos, la fase monoclínica que es estable a temperaturas inferiores a 650oC y la fase hexagonal, fase de alta temperatura, estable a temperaturas superiores de 650oC. Se ha determinado que fase monoclínica presenta propiedades luminiscentes, sin embargo existen discordancias a cerca de las propiedades luminiscentes de la fase hexagonal. Mediante la síntesis por sales fundidas es posible estabilizar la fase hexagonal empleando como alúmina precursora γ-Al2O3 y un exceso de Al2O3 (Al2O3/SrO:2). La estabilización de la fase hexagonal a temperatura ambiente se produce cuando el tamaño de los cristales de SrAl2O4 es ≤20 nm. Además se observó que la fase hexagonal presenta respuesta fotoluminiscente. El diseño de materiales de SrAl2O4:Eu,Dy nanoestructurados permite modular la morfología del material y por tanto la intensidad de la de la fotoluminiscencia y la persistencia de la luminiscencia. La disminución de los materiales precursores, la temperatura y el tiempo de tratamiento significa la reducción de los costes económicos del material. De ahí la viabilidad de los materiales de SrAl2O4:Eu,Dy obtenidos mediante los procesos de síntesis propuestos en esta memoria de tesis para su posterior escalado industrial. ABSTRACT The synthesis of sub-micron photoluminescent particles has been widely studied during the past decade because of the promising industrial applications of these materials. A large number of matrices has been developed, being SrAl2O4 host doped with europium (Eu2+) and dysprosium (Dy3+) the most extensively studied, because of its better stability and long-lasting luminescence. These functional inorganic materials have a wide field of application in persistent luminous paints, inks and ceramics. Large attention has been paid to the development of an efficient method of preparation of SrAl2O4 powders, including solgel method, hydrothermal synthesis, laser synthesis, combustion synthesis and solid state reaction. Many of these techniques are not compatible with large-scale production and with the principles of sustainability. Moreover, industrial processing of highly crystalline powders usually requires high synthesis temperatures, typically between 1300 a 1900oC, with long processing times, especially for solid state reaction. As a result, the average particle size is typically within the 20-100 μm range. This large particle size is limiting for current applications that demand sub-micron particles. Therefore, the objective of this work is to develop new approaches to overcome these limitations. Within this frame, it is necessary to undertake the following purposes: To study the parameters that govern the particle size reduction by milling and their relation with the photoluminescence properties. To obtain SrAl2O4:Eu, Dy by combustion synthesis, assessing the effect of the temperature and the amount of fuel (urea) to synthesize highly crystalline particles minimizing the presence of secondary phases. To develop new synthesis methods to obtain SrAl2O4:Eu, Dy powders. The molten salt synthesis has been proposed. As the method is a novel route, the reaction mechanism should be determine as a function of the salt mixture, the ratio of the salt, the kind of Al2O3 and their particle size and the temperature and the atmosphere of the thermal treatment. To improve the efficiency of the synthesis process to obtain SrAl2O4:Eu, Dy powders with optimal final properties and easily scalable. On the basis of decreasing the particle size by using commercial product SrAl2O4:Eu2+, Dy3+ as raw material, the effects of different milling methods have been evaluated. Wet milling can significantly alter the structure of the material through hydrolysis reaction even in ethanol media. For overcoming the drawbacks of wet milling, a dry milling-based processes are studied. High energy dry milling process allows a great reduction of the particle size, however milling times above 10 min produce agglomeration and accelerates the decrease of the photoluminescence feature. To solve these issues the low energy dry milling process proposed effectively reduces the particle size to d50=2.8 μm, and improves the homogeneity avoiding the amorphization in comparison with previous methods. The X-ray diffraction and scanning electron microscope characterization allow to infer that the large variations in PL (Photoluminescence) values by high energy milling process are a consequence mainly of the crystallite size reduction. The lesser variation in PL values by low energy milling proces is related to the coherent crystalline domain preservation and the unnoticeable amorphization. These results corroborate that the photoluminescence intensity and the persistent luminescence of the SrAl2O4:Eu2+, Dy3+ powders depend extrinsically on the morphology of the particles such as particle size, grain size, surface damage and intrinsically on the crystallinity (crystallite size); being the intrinsically effects the ones that have a significant influence on the photoluminescent response. By combustion method, nanostructured SrAl2O4:Eu2+, Dy3+ sheets with a thickness ≤1 μm have been obtained. The amount of fuel (urea) in the reaction has an important influence on the phase composition; urea contents larger than the stoichiometric one require the presence of an oxidant agent such as HNO3 to complete the reaction. A higher amount of urea (excess of urea: denoted m>1, being m=1 the stoichiometric composition) including an oxidizing agent produces SrAl2O4:Eu2+,Dy3+ particles with persistent luminescence due to the effective chelation of the cations and the creation of suitable atmospheric conditions to reduce the Eu3+ to Eu2+. Therefore, optimizing the synthesis parameters in combustion synthesis by using a higher amount of urea and an internal oxidizing agent allows to complete the reaction. The amount of secondary phases can be significantly reduced and the photoluminescence response can be enhanced. This situation is attributed to a higher energy that improves the crystallinity of the powders. The powders obtained have a particle size c.a. 5-25 μm with a thickness ≤1 μm and require relatively low ignition temperatures (600oC). It is possible to reduce the particle size by a low energy dry milling but this process implies the decrease of the photoluminescent response. However, a post-thermal treatment in a reducing atmosphere allows the improvement of the properties due to the increment of crystallinity and the reduction of Eu3+ to Eu2+. Compared with the powder resulted from solid state method (commercial reference: average particle size, 20 μm and heterogeneous particle size distribution) the emission intensity of the powder prepared by combustion method achieve the values between 35% to 21% of the reference powder intensity. Moreover, the initial intensity of the decay curve is 20% of the intensity of the reference powder. Taking in account these results, it is necessary to explore other methods to synthesize the powders For that reason, an original synthetic route has been developed in this study: the molten salt assisted process to obtain highly crystalline SrAl2O4 powders with nanometric sized crystallites. The molten salt was composed of a mixture of NaCl and KCl using a 0.5:0.5 molar ratio (eutectic mixture hereafter abbreviated as (NaCl-KCl)e). The main advantages of salt addition is the increase of the reaction rate, the significant reduction of the synthesis temperature and the duration of the thermal treatment in comparison with classic solid state method. The SrAl2O4 formation is promoted due to the high mobility of the Sr2+ cations in the liquid medium. Different kinds of Al2O3 have been employed to evaluate the role of the size and the nature of this precursor on the kinetics of reaction, on the morphology and the final properties of the product. The SrAl2O4:Eu2+, Dy3+ powders have pseudo-spherical morphology and particle size ≤0.5 μm when a sub-micron Al2O3 ( 0.5 μm Al2O3, 0.1 μm Al2O3 and γ-Al2O3) has been used. This can be attributed to a higher reactivity in the system and the dominance of dissolution-precipitation mechanism. However, the use of larger alumina (6 μm Al2O3) modifies the reaction pathway leading to a different reaction evolution. More specifically, the growth of SrAl2O4 sub-micron particles on the surface of hexagonal platelets of 6μm Al2O3 is promoted. The particles retain the shape of the original Al2O3 and this formation process can be attributed to a «core-shell» mechanism. The particles obtained exhibit different photoluminescent response as a function of the final morphology of the powder. Therefore, through this study, it has been elucidated the reaction mechanisms of SrAl2O4 formation assisted by (NaCl-KCl)e that are governed by the diffusion of SrCO3 and the reactivity of the alumina particles. Optimizing the Al2O3/SrO ratio of the SrAl2O4:Eu, Dy powders synthesized with 6 μm Al2O3 as a precursor, the secondary phases and the concentration of dopant needed can be reduced keeping the photoluminescent response of the synthesized powder. Compared with the commercial reference powder, up to 90% of the emission intensity of the reference powder has been achieved for the powder prepared by molten salt method using 6μm Al2O3 as alumina precursor. Concerning the initial intensity of the decay curve, 60% of the initial intensity of the reference powder has been obtained. Additionally, it is necessary to take into account that SrAl2O4 has two polymorphs: monoclinic symmetry that is stable at temperatures below 650oC and hexagonal symmetry that is stable above this temperature. Monoclinic phase shows luminescent properties. However, there is no clear agreement on the emission of the hexagonal structure. By molten salt, it is possible to stabilize the hexagonal phase of SrAl2O4 employing an excess of Al2O3 (Al2O3/SrO: 2) and γ-Al2O3 as a precursor. The existence of nanometric crystalline domains with lower size (≤20 nm) allows the stabilization of the hexagonal phase. Moreover, it has been evidenced that the hexagonal polymorph exhibits photoluminescent response. To sum up, the design of nanostructured SrAl2O4:Eu2+, Dy3+ materials allows to obtain different morphologies and as consequence different photoluminescent responses. The reduction of temperature, duration of the thermal treatment and the precursors materials needed imply the decrease of the economic cost of the material. Therefore, the viability, suitability and scalability of the synthesis strategy developed in this work to process SrAl2O4:Eu2+, Dy3+ are demonstrated.