Luminescence studies of strontium sulphide based phosphors for display applications

This thesis has focused on the synthesis and analysis of some important phosphors (nano, bulk and thin film) for display applications. ACTFEL device with SrS:Cu as active layer was also fabricated.Three bulk phosphors: SrS:Cu,CI; SrS:Dy,Cl; and SrS:Dy,Cu,Cl were synthesized and their structural, optical and electrical properties were investigated. Special emphasis was given to, the analysis of the role of defects and charge compensating centers, on the structural changes of the host and hence the luminance. A new model describing the sensitizing behaviour of Cu in SrS:Dy,Cu,Cl two component phosphor was introduced. It was also found that addition of NH4CI as flux in SrS:Cu caused tremendous improvement in the structural and luminescence properties.A novel technique for ACTFEL phosphor deposition at low temperature was introduced. Polycrystalline films of SrS:Cu,F were synthesized at low temperature by concomitant evaporation of host and dopant by electron beam evaporation and thermal evaporatin methods.Copper doped strontium sulphide nanophosphor was synthesized for the first time. Improvement in the luminescence properties was observed in the nanophosphor with respect to it' s bulk counterpart.

Fabrication and the study of zinc sulphide based electroluminescent devices

This thesis contains the author's work in preparing efficient EL phosphors, the details of fabrication of low voltage operated thin film EL (TFEL) devices and DC TFEL devices. Some of the important work presented here are related to the white light emitting ZnS:Cu,Pr,Cl phosphor which can be colour tuned by changing the excitation frequency, observation of energy transfer from Cu/Ag ions to rare earth ions in ZnS:(Cu/Ag), RE,Cl phosphors, development of TFEL device which can be operated below 50V, optimization of the device parameters for long life, high brightness in terms of the active and insulating layer thicknesses, observation of dependence of threshold voltage for the onset of emission on frequency of excitation when a novel dielectric Eu2O3 film was used as insulator and the devices with multicolor emission using ZnS doped with rare earth as active layer. Characterization based on other devices based on ZnS:Sm, ZnS:Pr, ZnS:Dy and their emission characteristics are also illustrated

Synthesis and Characterisation of Zinc Gallate Based Phosphors for Thin Film Electroluminescent Devices

Department of Physics, Cochin University of Science and Technology

Towards the development of poly (phenylene sulphide) based nanocomposites with enhanced mechanical, electrical and tribological properties

Novel poly(phenylene sulphide) (PPS) nanocomposites reinforced with an aminated derivative (PPS-NH2) covalently attached to acid-treated single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) were prepared via simple melt-blending technique. Their morphology, viscoelastic behaviour, electrical conductivity, mechanical and tribological properties were investigated. Scanning electron microscopy revealed that the grafting process was effective in uniformly dispersing the SWCNTs within the matrix. The storage and loss moduli as a function of frequency increased with the SWCNT content, tending to a plateau in the low-frequency regime. The electrical conductivity of the nanocomposites was considerably enhanced in the range 0.1?0.5 wt% SWCNTs; electrical and rheological percolation thresholds occurred at similar nanotube concentrations. Mechanical tests demonstrated that with only 1.0 wt% SWCNTs the Young's modulus and tensile strength of the matrix improved by 51 and 37%, respectively, without decrement in toughness, ascribed to a very efficient load transfer. A moderate decrease in the friction coefficient and a 75% reduction in wear rate were found for the abovementioned nanotube loading, indicating that PPS-NH2-g-SWCNTs are good tribological additives for thermoplastic polymers. Based on the promising results obtained in this work, it is expected that these nanofillers will be used to develop high-performance thermoplastic/CNT nanocomposites for structural applications.

Enhancing the thermomechanical behaviour of poly(phenylene sulphide) based composites via incorporation of covalently grafted carbon nanotubes

The thermal and thermomechanical properties of poly(phenylene sulphide) (PPS) based nanocomposites incorporating a polymer derivative covalently anchored onto single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) were investigated. The grafted fillers acted as nucleating agents, increasing the crystallization temperature and degree of crystallinity of the matrix. They also enhanced its thermal stability, flame retardancy, glass transition (Tg) and heat deflection temperatures while reduced the coefficient of thermal expansion at temperatures below Tg. A strong rise in the thermal conductivity, Young?s modulus and tensile strength was found with increasing filler loading both in the glassy and rubbery states. All these outstanding improvements are ascribed to strong matrix-filler interfacial interactions combined with a compatibilization effect that results in very homogeneous SWCNT dispersion. The results herein offer useful insights towards the development of engineering thermoplastic/CNT nanocomposites for high-temperature applications.

Development of Zirconia based phosphors for application in lighting and as luminescent bioprobes

The strong progress evidenced in photonic and optoelectronic areas, accompanied by an exponential development in the nanoscience and nanotechnology, gave rise to an increasing demand for efficient luminescent materials with more and more exigent characteristics. In this field, wide band gap hosts doped with lanthanide ions represent a class of luminescent materials with a strong technological importance. Within wide band gap material, zirconia owns a combination of physical and chemical properties that potentiate it as an excellent host for the aforementioned ions, envisaging its use in different areas, including in lighting and optical sensors applications, such as pressure sensors and biosensors. Following the demand for outstanding luminescent materials, there is also a request for fast, economic and an easy scale-up process for their production. Regarding these demands, laser floating zone, solution combustion synthesis and pulsed laser ablation in liquid techniques are explored in this thesis for the production of single crystals, nanopowders and nanoparticles of lanthanides doped zirconia based hosts. Simultaneously, a detailed study of the morphological, structural and optical properties of the produced materials is made. The luminescent characteristics of zirconia and yttria stabilized zirconia (YSZ) doped with different lanthanide ions (Ce3+ (4f1), Pr3+ (4f2), Sm3+ (4f5), Eu3+ (4f6), Tb3+ (4f8), Dy3+ (4f9), Er3+ (4f11), Tm3+ (4f12), Yb3+ (4f13)) and co-doped with Er3+,Yb3+ and Tm3+,Yb3+ are analysed. Besides the Stokes luminescence, the anti- Stokes emission upon infrared excitation (upconversion and black body radiation) is also analysed and discussed. The comparison of the luminescence characteristics in materials with different dimensions allowed to analyse the effect of size in the luminescent properties of the dopant lanthanide ions. The potentialities of application of the produced luminescent materials in solid state light, biosensors and pressure sensors are explored taking into account their studied characteristics.

Comparative study on the luminescent properties of Y3Al5O12 : RE3+ (RE : Eu, Dy) phosphors synthesized by three methods

By using metal nitrates and oxides as the starting materials, Y3Al5O12 (YAG) and YAG: RE3+ (RE: Eu, Dy) powder phosphors were prepared by solid state (SS), coprecipitation (CP) and citrate-gel (CG) methods, respectively. The resulting YAG based phosphors were characterized by XRD and photoluminescent excitation and emission spectra as well as lifetimes. The purified crystalline phases of YAG were obtained at 800degreesC (CG) and 900degreesC (CP and SS), respectively. Great differences were observed for the excitation and emission spectra of Eu3+ and Dy3+ between crystalline and amorphous states of YAG, and their emission intensities increased with increasing the annealing temperature. At an identical annealing temperature and doping concentration, the Eu3+ and Dy3+ showed the strongest and weakest emission intensity in CP- and CG-derived YAG phosphors, respectively. The poor emission intensity for CG-derived phosphors is mainly caused by the contamination organic impurities from citric acid in the starting materials. Furthermore, the lifetimes for the samples derived from CG and CP routes are shorter than those derived from the SS route.

Synthesis-dependent luminescence properties of Y3Al5O12 : Re3+ (Re=Ce, Sm, Tb) phosphors

By using metal nitrates and oxides as the starting materials, Y2Al5O12 (YAG) and YAG:Re3+ (Re = Ce, Sm, Th) powder phosphors were prepared by solid-state (SS), coprecipitation (CP) and citrate gel (CG) methods. The resulting YAG and YAG-based phosphors were characterized by XRD, FT-IR, SEM and photoluminescent excitation and emission spectra. The purified crystalline phases of YAG were obtained at 800 degreesC (CG) and 900 degreesC (CP, SS). At an identical annealing temperature and doping concentration, the doped rare-earth ions showed the stronger emission intensity in the CP- and SS-derived phosphors than the CG-derived YAG phosphors. The poor emission intensity for the CG-derived phosphors is mainly caused by the contamination of carbon impurities from citric acid in the starting materials.

Microstructure design of Titanate-based electroceramics

Electrocerâmicos são uma classe de materiais avançados com propriedades eléctricas valiosas para aplicações. Estas propriedades são geralmente muito dependentes da microestrutura dos materiais. Portanto, o objectivo geral deste trabalho é investigar o desenho da resposta dieléctrica de filmes espessos obtidos por Deposição Electroforética (EPD) e cerâmicos monolíticos, através do controlo da evolução da microestrutura durante a sinterização de electrocerâmicos à base de titanatos. Aplicações sem fios na indústria microelectrónica e de comunicações, em rápido crescimento, tornaram-se um importante mercado para os fabricantes de semicondutores. Devido à constante necessidade de miniaturização, redução de custos e maior funcionalidade e integração, a tecnologia de filmes espessos está a tornar-se uma abordagem de processamento de materiais funcionais cada vez mais importante. Uma técnica adequada neste contexto é EPD. Os filmes espessos resultantes necessitam de um passo subsequente de sinterização que é afectada pelo substrato subjacente, tendo este um forte efeito sobre a evolução da microestrutura. Relacionado com a miniaturização e a discriminação do sinal, materiais dieléctricos usados como componentes operando a frequências das microondas em aplicações na industria microelectrónica de comunicações devem apresentar baixas perdas dieléctricas e elevadas permitividade dieléctrica e estabilidade com a temperatura. Materiais do sistema BaO-Ln2O3- TiO2 (BLnT: Ln = La ou Nd), como BaLa4Ti4O15 (BLT) e Ba4.5Nd9Ti18O54 (BNT), cumprem esses requisitos e são interessantes para aplicações, por exemplo, em estações de base para comunicações móveis ou em ressonadores para telefones móveis, onde a miniaturização dos dispositivos é muito importante. Por sua vez, o titanato de estrôncio (SrTiO3, STO) é um ferroeléctrico incipiente com constante dieléctrica elevada e baixas perdas, que encontra aplicação em, por exemplo, condensadores de camada interna, tirando partido de fronteiras de grão altamente resistivas. A dependência da permitividade dieléctrica do campo eléctrico aplicado torna este material muito interessante para aplicações em dispositivos de microondas sintonizáveis. Materiais à base de STO são também interessantes para aplicações termoeléctricas, que podem contribuir para a redução da actual dependência de combustíveis fósseis por meio da geração de energia a partir de calor desaproveitado. No entanto, as mesmas fronteiras de grão resistivas são um obstáculo relativamente à eficiência do STO para aplicações termoeléctricas. Para além do efeito do substrato durante a sinterização constrangida, outros factores, como a presença de fase líquida, a não-estequiometria ou a temperatura de sinterização, afectam significativamente não apenas a microestrutura dos materiais funcionais, mas também a sua resposta dieléctrica. Se adequadamente compreendidos, estes factores podem ser intencionalmente usados para desenhar a microestrutura dos electrocerâmicos e, desta forma, as suas propriedades dieléctricas. O efeito da não-estequiometria (razão Sr/Ti 0.995-1.02) no crescimento de grão e resposta dieléctrica de cerâmicos de STO foi investigado neste trabalho. A mobilidade das fronteiras de grão aumenta com a diminuição da razão Sr/Ti. A resistividade do interior dos grãos e das fronteiras de grão é sistematicamente diminuída em amostras não-estequiométricas de STO, em comparação com o material estequiométrico. O efeito é muito mais forte para as fronteiras de grão do que para o seu interior. Dependências sistemáticas da não-estequiometria foram também observadas relativamente à dependência da condutividade da temperatura (muito mais afectada no caso da contribuição das fronteiras de grão), à capacitância do interior e fronteiras de grão e à espessura das fronteiras de grão. Uma anomalia no crescimento de grão em cerâmicos de STO ricos em Ti foi também observada e sistematicamente analisada. Foram detectadas três descontinuidades na dependência do tipo Arrhenius do crescimento de grão relativamente à temperatura com diminuições no tamanho de grão a temperaturas em torno de 1500, 1550 e 1605 °C. Além disso, descontinuidades semelhantes foram também observadas na dependência da energia de activação relativamente à condutividade das fronteiras de grão e na espessura das fronteiras de grão, avaliadas por Espectroscopia de Impedância. Estas notáveis coincidências suportam fortemente a formação de diferentes complexos de fronteira de grão com transições entre os regimes de crescimento de grão observados, que podem ser correlacionados com diferentes mobilidades de fronteira de grão e propriedades dieléctricas. Um modelo é sugerido, que se baseia na diminuição da fase líquida localizada nas fronteiras de grão, como o aumento da temperatura de sinterização, um cenário compatível com um fenómeno de solubilidade retrógrada, observado anteriormente em metais e semicondutores, mas não em cerâmicos. A EPD de filmes espessos de STO em substratos de folha de Pt e a sinterização constrangida dos filmes fabricados foram também preliminarmente tratadas. Filmes espessos de STO foram depositados com êxito por EPD sobre substratos de Pt e, depois de sinterizados, atingiram densidades elevadas. Um aumento da densificação e do tamanho de grão assim como o alargamento da distribuição de tamanho do grão foram observados com a diminuição da razão Sr/Ti, tal como anteriormente observado em amostras cerâmicas. Grãos equiaxiados foram observados para todas as composições, mas um certo grau de anisotropia na orientação dos poros foi detectado: os poros revelaram uma orientação vertical preferencial. Este trabalho focou-se também na sinterização constrangida do sistema BLnT (Ln = La ou Nd), nomeadamente de filmes espessos de BLT e BNT sobre substratos de folha de platina, e na relação do desenvolvimento de anisotropia microestrutural com as propriedades dieléctricas. As observações durante a sinterização constrangida foram comparadas com cerâmicos monolíticos equivalentes sinterizados livremente. Filmes espessos de BLnT (Ln = La ou Nd) com elevada densidade foram obtidos por EPD e subsequente sinterização constrangida. A anisometria cristalográfica do material em conjunto com um passo de sinterização constrangida resultou em grãos alongados e microestruturas anisotrópicas. O efeito do stress do substrato durante a sinterização constrangida originou graus mais elevados de anisotropia (grãos e poros alongados e orientação preferencial, bem como textura cristalográfica) nos filmes sinterizados relativamente aos cerâmicos equivalentes sinterizados livremente, não obstante o estado equivalente das amostras em verde. A densificação dos filmes de BLnT (Ln = La ou Nd) é retardada em comparação com os cerâmicos, mas depois de longos tempos de sinterização densidades semelhantes são obtidas. No entanto, em oposição a observações na sinterização constrangida de outros sistemas, o crescimento do grão em filmes de BLnT (Ln = La ou Nd) é favorecido pelo constrangimento causado pelo substrato. Além disso, grãos e poros alongados orientados paralelamente ao substrato foram desenvolvidos durante a sinterização constrangida de filmes espessos. Verificou-se uma forte correlação entre a evolução de grãos e poros, que começou assim que o crescimento do grão se iniciou. Um efeito da tensão do substrato no aumento do crescimento de grão, bem como um forte “Zener pinning”, origina microestruturas altamente texturizadas, o que também é observado a nível cristalográfico. Efeitos marcantes da anisotropia microestrutural foram também detectados nas propriedades dieléctricas dos filmes de BLnT (Ln = La ou Nd). Juntamente com o aumento da razão de aspecto dos grãos, do factor de orientação e do grau de textura cristalográfica, a permitividade relativa é ligeiramente diminuída e o coeficiente de temperatura da permitividade evolui de negativo para positivo com o aumento do tempo isotérmico de sinterização. Este trabalho mostra que a não-estequiometria pode ser usada para controlar a mobilidade das fronteiras de grão e, portanto, desenhar a microestrutura e as propriedades dieléctricas de electrocerâmicos à base de STO, com ênfase nas propriedades das fronteiras de grão. O papel da não-estequiometria no STO e dos complexos de fronteira de grão no desenvolvimento microestrutural é discutido e novas oportunidades para desenhar as propriedades de materiais funcionais são abertas. As observações relativamente à sinterização constrangida apontam para o efeito de tensões mecânicas desenvolvidas devido ao substrato subjacente no desenvolvimento da microestrutura de materiais funcionais. É assim esperado que a escolha adequada de substrato permitia desenhar a microestrutura de filmes espessos funcionais com desempenho optimizado. “Stress Assisted Grain Growth” (SAGG) é então proposto como uma técnica potencial para desenhar a microestrutura de materiais funcionais, originando microestruturas anisotrópicas texturizadas com propriedades desejadas.

Fluorescenec Emission of SrS:Eu2+ Phosphor-Energy Level Splitting of Eu2+

A method of preparation of strontium sulphide phosphors doped with europium is given. Nitrogen laser excited fluorescence emission spectra of these phosphors in the visible region are recorded. A band with line structure in the region 350-430 nm and a new broad band at 460 nm are observed. The splitting pattern for the 6p levels of Eu 2+ are given.

Rainbow Emission from an Atomic Transition in Doped Quantum Dots

Although semiconductor quantum dots are promising materials for displays and lighting due to their tunable emissions, these materials also suffer from the serious disadvantage of self-absorption of emitted light. The reabsorption of emitted light is a serious loss mechanism in practical situations because most phosphors exhibit subunity quantum yields. Manganese-based phosphors that also exhibit high stability and quantum efficiency do not suffer from this problem but in turn lack emission tunability, seriously affecting their practical utility. Here, we present a class of manganese-doped quantum dot materials, where strain is used to tune the wavelength of the dopant emission, extending the otherwise limited emission tunability over the yellow-orange range for manganese ions to almost the entire visible spectrum covering all colors from blue to red. These new materials thus combine the advantages of both quantum dots and conventional doped phosphors, thereby opening new possibilities for a wide range of applications in the future.

Hydrothermal synthesis of SrCO3 : Eu3+/Tb3+ microneedles and their luminescence properties

SrCO3:Eu3+ /Tb3+ microneedles that grow along the a-axis were successfully prepared through a large-scale and facile hydrothermal method without any template and further annealing treatment. X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), and photoluminescence (PL) spectra as well kinetic decays, were used to characterize the samples. The preferential growth along a-axis for SrCO3:Eu3+/Tb3+ microneedles has been proposed through analysis of the XRD patterns of samples obtained at different hydrothermal treatment time. Under ultraviolet excitation, the SrCO3:Eu3+ and SrCO3:Tb3+ microncedle samples show a strong red and green emission corresponding to the D-5(0)-F-7(j) (J = 1, 2, 3, 4) transitions of Eu3+ and the D-5(4)-(7) F-j (J = 6, 5, 4, 3) transitions of Tb3+, respectively, which have potential applications in lighting fields.

Growth of SrS thin films by pulsed-laser deposition

High-quality luminescent thin films of strontium sulphide (SrS) with excellent stoichiometry have been grown by pulsed-laser deposition. The crystallinity, stoichiometry and cathodoluminescence (CL) have been investigated for the films deposited onto two differently coated glass substrates. Furthermore the importance of post-deposition annealing has been studied. SrS thin films grown at 450 degrees C onto glass substrates coated with tin-doped indium oxide show good crystallinity, with a preferred orientation along the (200) axis. Cerium-doped SrS (SrS:Ce) gives a strong blue CL output at 400 nm. Energy-dispersive X-ray spectroscopy shows that the films are stoichiometric and that the stoichiometry is controllable by varying deposition parameters.

Análise dosimétrica de aplicadores de Betaterapia

Betatherapy is a special medical technique using a radioactive source of strontium-90 for the treatment of superficial lesions, especially in dermatology and ophthalmology. Strontium-90 sources emit β radiation, which possesses high ionization power, but a very short distance propagation into matter. This work presents a method of dosimetric analysis of betatherapy using strontium- 90-based instrumentation, commonly used against superficial diseases, such as keloid and pterygium, aiming the description of the dosimetry analysis procedures, which can be easily implemented on tradiotherapy services that offers the betatherapy treatment. IBF-MEDIX radiographic films (conventional films) were exposed to betatherapy applicators during different time intervals according to the activity of the source, and afterwards the optical densities (O. D.) of the radiographic images were measured using an optical densitometer MACBETH. Therefore, the parameters used to make the dosimetric analysis in betatherapy were standardized, as the exposure time depended on the geometry and size of the source, providing an efficient and fast method of dosimetric analysis of the betatherapy equipment of the services, the majority of which do not have the scientific structure to perform this study

Materiais à base de Sr(Ti,Nb)O3 para sensores lambda

Os sensores lambda resistivos possuem as vantagens de simplicidade e menor custo relativamente à utilização generalizada de sensores potenciométricos de oxigénio. Nesse sentido, os titanatos de estrôncio têm sido alvo de diversos estudos. Para a produção de uma relação inequívoca entre a condutividade destes materiais e a pressão parcial de oxigénio é necessária a adição de um dopante dador que suprime a condução eletrónica do tipo-p na região de pressões parciais de oxigénio próximas de ar. Contudo, a adição de um dopante dador produz respostas lentas destes materiais quando densos a variações da pressão parcial de oxigénio. Além da preparação usual dos pós por reação do estado sólido, foram preparadas diversas composições por mecanossíntese. Tal relaciona-se com o fato exaustivamente reportado de as amostras destes materiais, especialmente quando dopados com dadores, apresentarem comportamentos dependentes das condições de processamento. Teve ainda o intuito de avaliar a viabilidade da sua preparação por este método, e consequentemente verificar se este método de preparação, que presumivelmente produzirá pós com composição mais homogénea e mais reativos, permite alterar/manipular a resposta obtida por amostras com eles produzidas. Foram preparados diversos filmes, tipologia muito usada na produção de sensores resistivos, e amostras porosas com diversas composições à base de titanato de estrôncio produzidos com variadas condições de processamento. Foram realizadas diversas caracterizações sobre estes espécimes numa tentativa de melhor compreender as propriedades destes materiais e a dependência destas com parâmetros microestruturais como o tamanho de grão e a porosidade. Foi verificado que os exemplares de titanato de estrôncio não dopado, quer em filmes quer em amostras porosas, apresentam um comportamento elétrico semelhante ao apresentado por amostras densas deste material. Apurou-se ainda, que as suas características apresentam uma variação ténue com a alteração das condições de processamento. Já espécimes de titanato de estrôncio dopados com dador revelam uma forte dependência das suas propriedades com as condições de processamento utilizadas, nomeadamente, a temperatura de sinterização e o tempo de permanência a essa temperatura. Para o fabrico de sensores resistivos de oxigénio poderá ser preferível o recurso a amostras porosas pelo facto de mais facilmente se manipularem as suas características microestruturais e devido à exclusão dos problemas associados à interação entre o substrato de alumina e o filme. As composições não dopadas são as indicadas para esta função se a gama de pressões de oxigénio a avaliar for relativamente pouco extensa sendo aconselhadas as composições dopadas com dador se for pretendida uma medição da pressão parcial de oxigénio em zonas mais extensas correspondentes à queima com deficiência ou excesso de oxigénio. Mesmo em amostras de elevada porosidade poderá ocorrer resposta transiente do material dopado com dador.