Clustering of rare earth in glasses, aluminum effect: experiments and modeling

Luminescent spectra of Eu3+-doped sol-gel glasses have been analyzed during the densification process and compared according to the presence or not of aluminum as a codoping ion. A transition temperature from hydrated to dehydroxyled environments has been found different for doped and codoped samples. However, only slight modifications have been displayed from luminescence measurements beyond this transition. To support the experimental analysis, molecular dynamics simulations have been performed to model the doped and codoped glass structures. Despite no evidence of rare earth clustering reduction due to aluminum has been found, the modeled structures have shown that the luminescent ions are mainly located in aluminum-rich domains. The synthesis of both experimental and numerical analyses has lead us to interpret the aluminum effect as responsible for differences in structure of the luminescent sites rather than for an effective dispersion of the rare earth ions. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

Rare earth doped synthetic opals and inverse opals

Monodisperse spheres of silica and latex were obtained by a surfactant free styrene polimerization and the Stober method respectively. Controlling settling either by centrifugation or by dip-coating colloidal crystals could be obtained. Silica inverse opals were prepared by using the latex colloidal crystals as templates and TEOS/ethanol solution. Eu3+ containing silica spheres were obtained dispersing silica spheres in Eu(NO3)(3) isopropanol solutions. Emission spectra suggest the formation of an amorphous Eu3+ containing phase well adhered at the spheres surface. The utilization of solutions of trifluoroacetates salts of Pb2+ and Eu3+ was observed to destroy the silica spherical pattern when samples are treated at 1000degreesC. In that case nanocrystals of PbF2 and amorphous silica were obtained after heat treatment.

Rare Earth Doped SnO(2) Nanoscaled Powders and Coatings: Enhanced Photoluminescence in Water and Waveguiding Properties

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Optical emission and electron capture of rare-earth trivalent ions located at distinct sites in SnO(2) thin films

We present photoluminescence and decay of photo excited conductivity data for sol-gel SnO(2) thin films doped with rare earth ions Eu(3+) and Er(3+), a material with nanoscopic crystallites. Photoluminescence spectra are obtained under excitation with several monochromatic light sources, such as Kr(+) and Ar(+) lasers, Xe lamp plus a selective monochromator with UV grating, and the fourth harmonic of a Nd: YAG laser (4.65eV), which assures band-to-band transition and energy transfer to the ion located at matrix sites, substitutional to Sn(4+). The luminescence structure is rather different depending on the location of the rare-earth doping, at lattice symmetric sites or segregated at grain boundary layer, where it is placed in asymmetric sites. The decay of photo-excited conductivity also shows different trapping rate depending on the rare-earth concentration. For Er-doped films, above the saturation limit, the evaluated capture energy is higher than for films with concentration below the limit, in good agreement with the different behaviour obtained from luminescence data. For Eu-doped films, the difference between capture energy and grain boundary barrier is not so evident, even though the luminescence spectra are rather distinct.

Rare earth doped HfO2 nanoparticles embedded in SiO2-HfO2 planar waveguides. Preparation, optical, structural and spectroscopic characterization

In this work we present results on the preparation of planar waveguides based on HfO2 and HfO2-SiO2. Stable sols containing europium and erbium doped HfO2 nanoparticles have been prepared and characterized. The nanosized sol was either deposited (spin-coating) on quartz substrates or embedded in (3-glycidoxipropil)trimethoxisilane (GPTS) used as a hybrid host for posterior deposition. The refractive index dispersion and luminescence characteristics were determined for the resulting HfO2 films. The optical parameters of the waveguides such as refractive index, thickness and propagation losses were measured for the hybrid composite. The planar waveguides present thickness of a few micra and support well confined propagating modes.

Study of biosorption of rare earth metals (La, Nd, Eu, Gd) by Sargassum sp. biomass in batch systems: Physicochemical evaluation of kinetics and adsorption models

This work evaluated kinetic and adsorption physicochemical models for the biosorption process of lanthanum, neodymium, europium, and gadolinium by Sargassum sp. in batch systems. The results showed: (a) the pseudo-second order kinetic model was the best approximation for the experimental data with the metal adsorption initial velocity parameter in 0.042-0.055 mmol.g -1.min-1 (La < Nd < Gd < Eu); (b) the Langmuir adsorption model presented adequate correlation with maximum metal uptake at 0.60-0.70 mmol g-1 (Eu < La < Gd < Nd) and the metal-biomass affinity parameter showed distinct values (Gd < Nd < Eu < La: 183.1, 192.5, 678.3, and 837.3 L g-1, respectively); and (c) preliminarily, the kinetics and adsorption evaluation did not reveal a well-defined metal selectivity behavior for the RE biosorption in Sargassum sp., but they indicate a possible partition among RE studied. © (2009) Trans Tech Publications.

Optical and transport properties of rare-earth trivalent ions located at different sites in sol-gel SnO2

Photoluminescence and photo-excited conductivity data as well as structural analysis are presented for sol-gel SnO2 thin films doped with rare earth ions Eu3+ and Er3+, deposited by sol-gel-dip-coating technique. Photoluminescence spectra are obtained under excitation with various types of monochromatic light sources, such as Kr+, Ar+ and Nd:YAG lasers, besides a Xe lamp plus a selective monochromator with UV grating. The luminescence fine structure is rather different depending on the location of the rare-earth doping, at lattice symmetric sites or segregated at the asymmetric grain boundary layer sites. The decay of photo-excited conductivity also shows different trapping rate depending on the rare-earth concentration. For Er-doped films, above the saturation limit, the evaluated capture energy is higher than for films with concentration below the limit, in good agreement with the different behaviour obtained from luminescence data. For Eu-doped films, the difference in the capture energy is not so evident in these materials with nanoscocopic crystallites, even though the luminescence spectra are rather distinct. It seems that grain boundary scattering plays a major role in Eu-doped SnO2 films. Structural evaluation helps to interpret the electro-optical data. © 2010 IOP Publishing Ltd.

Study of the influence of the rare earth elements (Ce3+ and Ce4+) concentration on the siloxanes coating applied on the copper surface

This work studied the influence of the rare earth (Ce3+ and Ce4+) elements concentration in polysiloxane flints deposited on copper by dip-coating process, and evaluated their resistance in a 3.5 wt.% NaCl medium. Classical electrochemistry techniques were used as open circuit potential, polarization curves and electrochemical impedance spectroscopy. The results revealed that by adding low concentration of Ce4+ ions, the coating prevents the electrolyte uptake any longer retarding the substrate degradation consequently. ©The Electrochemical Society.

HIGH TEMPERATURE RARE EARTH COMPOUNDS: SYNTHESIS, CHARACTERIZATION AND APPLICATIONS IN DEVICE FABRICATION

As the area of nanotechnology continues to grow, the development of new nanomaterials with interesting physical and electronic properties and improved characterization techniques are several areas of research that will be remain vital for continued improvement of devices and the understanding in nanoscale phenomenon. In this dissertation, the chemical vapor deposition synthesis of rare earth (RE) compounds is described in detail. In general, the procedure involves the vaporization of a REClx (RE = Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho) in the presence of hydride phase precursors such as decaborane and ammonia at high temperatures and low pressures. The vapor-liquid-solid mechanism was used in combination with the chemical vapor deposition process to synthesize single crystalline rare earth hexaboride nanostructures. The crystallographic orientation of as-synthesized rare earth hexaboride nanostructures and gadolinium nitride thin films was controlled by judicious choice of specific growth substrates and modeled by analyzing x-ray diffraction powder patterns and crystallographic models. The rare earth hexaboride nanostructures were then implemented into two existing technologies to enhance their characterization capabilities. First, the rare earth hexaboride nanowires were used as a test material for the development of a TEM based local electrode atom probe tomography (LEAP) technique. This technique provided some of the first quantitative compositional information of the rare earth hexaboride systems. Second, due to the rigidity and excellent conductivity of the rare earth hexaborides, nanostructures were grown onto tungsten wires for the development of robust, oxidation resistant nanomanipulator electronic probes for semiconductor device failure analysis.

Re-Os isotope and highly siderophile element systematics of the Parana continental flood basalts (Brazil)

Basalts of the Parana continental flood basalt (PCFB) province erupted through dominantly Proterozoic continental crust during the Cretaceous. In order to examine the mantle source(s) of this major flood basalt province, we studied Os, Sr, Nd, and Pb isotope systematics, and highly siderophile element (HSE) abundances in tholeiitic basalts that were carefully chosen to show the minimal effects of crustal contamination. These basalts define a precise Re-Os isochron with an age of 131.6 +/- 2.3 Ma and an initial Os-187/Os-188 of 0.1295 +/- 0.0018 (gamma Os-187 = +2.7 +/- 1.4). This initial Os isotopic composition is considerably more radiogenic than estimates of the contemporary Depleted Mantle (DM). The fact that the Re-Os data define a well constrained isochron with an age similar to Ar-40/Ar-39 age determinations, despite generally low Os concentrations, is consistent with closed-system behavior for the HSE. Neodymium, Sr, and Pb isotopic data suggest that the mantle source of the basalts had been variably hybridized by melts derived from enriched mantle components. To account for the combined Os, Nd, Sr, and Pb isotopic characteristics of these rocks, we propose that the primary melts formed from metasomatized asthenospheric mantle (represented by arc-mantle peridotite) that underwent mixing with two enriched components, EM-I and EM-II. The different enriched components are reflected in minor isotopic differences between basalts from southern and northern portions of the province. The Tristan da Cunha hotspot has been previously suggested to be the cause of the Parana continental flood basalt magmatism. However, present-day Tristan da Cunha lavas have much higher Os-187/Os-188 isotopic compositions than the source of the PCFB. These data, together with other isotopic and elemental data, preclude making a definitive linkage between the Tristan plume and the PCFB. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Oceanic crust and island arc formation in Central Asia during late Neoproterozoic times - evidence from petrological and geochemical studies

Die vorliegende Arbeit behandelt die Entwicklung des 570 Ma alten, neoproterozoischen Agardagh - Tes-Chem Ophioliths (ATCO) in Zentralasien. Dieser Ophiolith liegt südwestlich des Baikalsees (50.5° N, 95° E) und wurde im frühen Stadium der Akkretion des Zentralasiatischen Mobilgürtels auf den nordwestlichen Rand des Tuvinisch-Mongolischen Mikrokontinentes aufgeschoben. Bei dem Zentralasiatische Mobilgürtel handelt es sich um einen riesigen Akkretions-Subduktionskomplex, der heute das größte zusammenhängende Orogen der Erde darstellt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden eine Reihe plutonischer und vulkanischer Gesteine, sowie verschiedene Mantelgesteine des ATCO mittels mikroanalytischer und geochemischer Verfahren untersucht (Elektronenstrahlmikrosonde, Ionenstrahlmikrosonde, Spurenelement- und Isotopengeochemie). Die Auswertung dieser Daten ermöglichte die Entwicklung eines geodynamisch-petrologischen Modells zur Entstehung des ATCO. Die vulkanischen Gesteine lassen sich aufgrund ihrer Spurenelement- und Isotopenzusammensetzung in inselbogenbezogene und back-arc Becken bezogene Gesteine (IA-Gesteine und BAB-Gesteine) unterscheiden. Darüber hinaus gibt es eine weitere, nicht eindeutig zuzuordnende Gruppe, die hauptsächlich mafische Gänge umfasst. Der grösste Teil der untersuchen Vulkanite gehört zur Gruppe der IA-Gesteine. Es handelt sich um Al-reiche Basalte und basaltische Andesite, welche aus einem evolvierten Stammmagma mit Mg# 0.60, Cr ~ 180 µg/g und Ni ~ 95 µg/g hauptsächlich durch Klinopyroxenfraktionierung entstanden sind. Das Stammmagma selbst entstand durch Fraktionierung von ca. 12 % Olivin und geringen Anteilen von Cr-Spinell aus einer primären, aus dem Mantel abgeleiteten Schmelze. Die IA-Gesteine haben hohe Konzentrationen an inkompatiblen Spurenelementen (leichte-(L)- Seltenerdelement-(SEE)-Konzentrationen etwa 100-fach chondritisch, chondrit-normierte (La/Yb)c von 14.6 - 5.1), negative Nb-Anomalien (Nb/La = 0.37 - 0.62) und niedrige Zr/Nb Verhältnisse (7 - 14) relativ zu den BAB-Gesteinen. Initiale eNd Werte liegen bei etwa +5.5, initiale Bleiisotopenverhältnisse sind: 206Pb/204Pb = 17.39 - 18.45, 207Pb/204Pb = 15.49 - 15.61, 208Pb/204Pb = 37.06 - 38.05. Die Anreicherung lithophiler inkompatibler Spurenelemente (LILE) in dieser Gruppe ist signifikant (Ba/La = 11 - 130) und zeigt den Einfluss subduzierter Komponenten an. Die BAB-Gesteine repräsentieren Schmelzen, die sehr wahrscheinlich aus der gleichen Mantelquelle wie die IA-Gesteine stammen, aber durch höhere Aufschmelzgrade (8 - 15 %) und ohne den Einfluss subduzierter Komponenten entstanden sind. Sie haben niedrigere Konzentrationen an inkompatiblen Spurenelementen, flache SEE-Muster ((La/Yb)c = 0.6 - 2.4) und höhere initiale eNd Werte zwischen +7.8 und +8.5. Nb Anomalien existieren nicht und Zr/Nb Verhältnisse sind hoch (21 - 48). Um die geochemische Entwicklung der vulkanischen Gesteine des ATCO zu erklären, sind mindestens drei Komponenten erforderlich: (1) eine angereicherte, ozeaninselbasalt-ähnliche Komponente mit hoher Nb Konzentration über ~ 30 µg/g, einem niedrigen Zr/Nb Verhältnis (ca. 6.5), einem niedrigen initialen eNd Wert (um 0), aber mit radiogenen 206Pb/204Pb-, 207Pb/204Pb- und 208Pb/204Pb-Verhältnissen; (2) eine N-MORB ähnliche back-arc Becken Komponente mit flachem SEE-Muster und einem hohen initialen eNd Wert von mindestens +8.5, und (3) eine Inselbogen-Komponente aus einer verarmten Mantelquelle, welche durch die abtauchende Platte geochemisch modifiziert wurde. Die geochemische Entstehung der ATCO Vulkanite lässt sich dann am besten durch eine Kombination aus Quellenkontamination, fraktionierte Kristallisation und Magmenmischung erklären. Geodynamisch gesehen entstand der ATCO sehr wahrscheinlich in einem intraozeanischen Inselbogen - back-arc System. Bei den untersuchten Plutoniten handelt es sich um ultramafische Kumulate (Wehrlite und Pyroxenite) sowie um gabbroische Plutonite (Olivin-Gabbros bis Diorite). Die geochemischen Charakteristika der mafischen Plutonite sind deutlich unterschiedlich zu denen der vulkanischen Gesteine, weshalb sie sehr wahrscheinlich ein späteres Entwicklungsstadium des ATCO repräsentieren. Die Spurenelement-Konzentrationen in den Klinopyroxenen der ultramafischen Kumulate sind extrem niedrig, mit etwa 0.1- bis 1-fach chondritischen SEE-Konzentrationen und mit deutlich LSEE-verarmten Mustern ((La/Yb)c = 0.27 - 0.52). Berechnete Gleichgewichtsschmelzen der ultramafischen Kumulate zeigen grosse Ähnlichkeit zu primären boninitischen Schmelzen. Die primären Magmen waren daher boninitischer Zusammensetzung und entstanden in dem durch vorausgegangene Schmelzprozesse stark verarmten Mantelkeil über einer Subduktionszone. Niedrige Spurenelement-Konzentrationen zeigen einen geringen Einfluss der abtauchenden Platte an. Die Spurenelement-Konzentrationen der Gabbros sind ebenfalls niedrig, mit etwa 0.5 - 10-fach chondritischen SEE-Konzentrationen und mit variablen SEE-Mustern ((La/Yb)c = 0.25 - 2.6). Analog zu den Vulkaniten der IA-Gruppe haben alle Gabbros eine negative Nb-Anomalie mit Nb/La = 0.01 - 0.31. Die initialen eNd Werte der Gabbros variieren zwischen +4.8 und +7.1, mit einem Mittelwert von +5.9, und sind damit identisch mit denen der IA-Vulkanite. Bei den untersuchten Mantelgesteinen handelt es sich um teilweise serpentinisierte Dunite und Harzburgite, die alle durch hohe Mg/Si- und niedrige Al/Si-Verhältnisse gekennzeichnet sind. Dies zeigt einen refraktären Charakter an und steht in guter Übereinstimmung mit den hohen Cr-Zahlen (Cr#) der Spinelle (bis zu Cr# = 0.83), auf deren Basis der Aufschmelzgrad der residuellen Mantelgesteine berechnet wurde. Dieser beträgt etwa 25 %. Die geochemische Zusammensetzung und die petrologischen Daten der Ultramafite und Gabbros lassen sich am besten erklären, wenn man für die Entstehung dieser Gesteine einen zweistufigen Prozess annimmt. In einer ersten Stufe entstanden die ultramafischen Kumulate unter hohem Druck in einer Magmenkammer an der Krustenbasis, hauptsächlich durch Klinopyroxen-Fraktionierung. Bei dieser Magmenkammer handelte es sich um ein offenes System, dem von unten laufend neue Schmelze zugeführt wurde, und aus dem im oberen Bereich evolviertere Schmelzen geringerer Dichte entwichen. Diese evolvierten Schmelzen stiegen in flachere krustale Bereiche auf und bildeten dort meist isolierte Intrusionskörper. Diese Intrusionskörper erstarrten ohne Magmen-Nachschub, weshalb petrographisch sehr unterschiedliche Gesteine entstehen konnten. Eine geochemische Modifikation der abkühlenden Schmelzen erfolgte allerdings durch die Assimilation von Nebengestein. Da innerhalb der Gabbros keine signifikante Variation der initalen eNd Werte existiert, handelte es sich bei dem assimilierten Material hauptsächlich um vulkanische Gesteine des ATCO und nicht um ältere, möglicherweise kontinentale Kruste.

The construction of TRIGA-TRAP and direct high-precision Penning trap mass measurements on rare-earth elements and americium

Nuclear masses are an important quantity to study nuclear structure since they reflect the sum of all nucleonic interactions. Many experimental possibilities exist to precisely measure masses, out of which the Penning trap is the tool to reach the highest precision. Moreover, absolute mass measurements can be performed using carbon, the atomic-mass standard, as a reference. The new double-Penning trap mass spectrometer TRIGA-TRAP has been installed and commissioned within this thesis work, which is the very first experimental setup of this kind located at a nuclear reactor. New technical developments have been carried out such as a reliable non-resonant laser ablation ion source for the production of carbon cluster ions and are still continued, like a non-destructive ion detection technique for single-ion measurements. Neutron-rich fission products will be available by the reactor that are important for nuclear astrophysics, especially the r-process. Prior to the on-line coupling to the reactor, TRIGA-TRAP already performed off-line mass measurements on stable and long-lived isotopes and will continue this program. The main focus within this thesis was on certain rare-earth nuclides in the well-established region of deformation around N~90. Another field of interest are mass measurements on actinoids to test mass models and to provide direct links to the mass standard. Within this thesis, the mass of 241-Am could be measured directly for the first time.

Paleoclimate reconstruction using LA-ICP-MS analyses of ostracods and stalagmite

Als paläoklimatische Archive können unter anderem Stalagmiten und Klappen von Ostrakoden herangezogen werden. Bisher gab es noch keine veröffentlichten Ergebnisse räumlich hochaufgelöster Spurenelementverteilungen in einzelnen Ostrakodenklappen. Das gleiche gilt für die Bestimmung radiogener Blei-Isotope in Stalagmiten. Um klimatische Prozesse vergangener Zeiten zu untersuchen, wurde eine neue LA-ICP-MS (Laserablations – Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma) Technik für hochaufgelöste in-situ Messungen von Spurenelementen und Bleiisotopen entwickelt. rnrnZunächst wurden geeignete Materialien für die Kalibrierung der Technik untersucht; als Proben dienten die Silikatreferenzgläser BAM-S005-A und BAM-S005B der Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM). Die Homogenität dieser Referenzgläser wurde mit LA-ICP-MS und den anderen mikroanalytischen Methoden EPMA (Elektronenmikrosonde) und SIMS (Ionensonde) überprüft. Die Ergebnisse zeigten, dass alle Haupt- und die meisten Spurenelemente in beiden Gläsern selbst im Mikrometerbereich homogen verteilt sind. Ausnahmen sind einige Spurenelemente, wie Cs, Cl, Cr, Mo und Ni, die heterogen in den Gläsern verteilt sind. Die Hauptelementzusammensetzung von BAM-S005-A und BAM-S005-B wurde mit Hilfe der EPMA bestimmt, wobei die Ergebnisse die Referenzwerte des BAM-Zertifikats bestätigten. Mit Ausnahme von Sr, Ba, Ce und Pb, stimmten die LA-ICP-MS-Spurenelementwerte mit den zertifizierten Werten innerhalb der angegebenen Fehlergrenzen überein. Gründe für die Diskrepanz der vier oben erwähnten Elemente sind noch unklar, aber sind möglicherweise durch fehlerhafte Referenzwerte zu erklären. Zusätzlich wurden 22 Spurenelemente gemessen, deren Gehalte von BAM nicht zertifiziert wurden. Aufgrund dieser Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass beide BAM-Gläser für mikroanalytische Anwendungen geeignet sind.rnrnUm neuartige paläoklimatische Proxies im Calcit von Ostrakoden aus tibetanischen Seesedimenten zu untersuchen, wurde die Spurenelementvariabilität in einzelnen Ostrakodenklappen durch eine neue LA-ICP-MS-Technik bestimmt. Klappen von Ostrakoden der drei Arten (Leucocytherella sinensis Huang, 1982, ?Leucocythere dorsotuberosa Huang, 1982 und ?L. dorsotuberosa f. postilirata sensu Pang, 1985) wurden aus zwei Sedimentkernen des Nam Co Sees auf dem Hochplateau von Tibet gewonnen. Zwei LA-ICP-MS-Varianten, Spot- bzw. Linienanalyse, wurden verwendet, um die Elementkonzentrationen der Spurenelemente Mg, Sr, Ba, U und die der Seltenen Erdelemente (SEE) in den Klappen einzelner Ostrakoden zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Linienanalyse präzisere Daten als die Spotanalyse liefert und sie wurde daher vorgezogen. Signifikante Unterschiede in der Spurenelementzusammensetzung zwischen den verschiedenen Arten der Ostrakoden wurden nicht gefunden. Variationen der Elementverhältnisse Mg/Ca und Sr/Ca in den Klappen stimmen mit veröffentlichten Seenspiegelschwankungen während des Holozäns überein, was zeigt, dass Mg- und Sr-Messungen in den Ostrakoden zur Untersuchung paläohydrochemischer Prozesse in diesem Gebiet herangezogen werden kann. Die gute Korrelation, die in dieser Arbeit zwischen Ba/Ca und Sr/Ca gefunden wurde, ist ein Hinweis darauf, dass der Einbau von Ba und Sr in die Klappen durch den gleichen Mechanismus erfolgte. Eine mögliche Beziehung zwischen dem U/Ca-Verhältnis in den Ostrakoden und den Redoxbedingungen auf dem Boden des Sees in der Vergangenheit wird diskutiert. Relativ geringe und konstante La/Ca-Verhältnisse wurden festgestellt, deren Ursache möglicherweise entweder auf der SEE-Charakteristik des Seewassers, auf biologischen Prozessen in den Ostrakoden oder auf Kontamination von Fe-Mn und/oder organischen Substanzen beruhen. Weitere Untersuchungen an Proben aus diesem Gebiet, speziell Klappen von lebenden Ostrakoden, sind notwendig, um den Gehalt von Ba, U und den SEE in Ostrakoden als paläoklimatische Proxies von Umweltbedingungen zu verwenden.