Estudio de la emisión infrarroja y visible de TiO₂ dopado con Yb³⁺ y Eu³⁺

Abstract

El presente Trabajo de Fin de Grado se enfoca en el estudio de las propiedades ópticas del dióxido de titanio, TiO₂ dopado con distintas proporciones de lantánidos trivalentes, siendo estos el europio trivalente, Eu³⁺, y el iterbio trivalente, Yb³⁺. El interés de este estudio radica en la eficiencia del dióxido de titanio en ciertas aplicaciones industriales como energías renovables y fotocatálisis pudiendo ser incrementada su eficiencia al añadir tierras raras trivalentes como impurezas. Se sintetizaron nanopartículas de TiO₂ en fase anatasa con distintas concentraciones de impurezas por el método sol-gel. Por una parte, el semiconductor dopado con Eu³⁺, después con Yb³⁺; y, por ´ultimo, conjuntamente con el fin de estudiar las variaciones tras la codopación. Posteriormente, se determinó el tamaño cristalino de las nanopartículas mediante difracción de rayos X y se caracterizaron sus propiedades ópticas mediante espectroscopía de fluorescencia, obteniendo los espectros de emisión y excitación a distintas longitudes de onda, así como los tiempos de vida de las impurezas añadidas y de la fase anatasa. Los resultados experimentales de la difracción de rayos X muestran que el tamaño de las partículas decrece a medida que el dopaje aumenta para los tres casos. Cabe destacar que al doparse el TiO₂ con las concentraciones 8% y 10% de Yb³⁺ se produce una fase segregada perteneciente al Yb₂O₃. Cabe destacar que se verifica el proceso de transferencia de energía entre la matriz y los iones y entre los iones, ya que se visualiza tanto en los espectros de emisión y absorción como en los tiempos de vida. Además, se evidencian fenómenos como concentration quenching y cross-relaxation, los cuales intervienen en los procesos de emisión de las tierras raras como procesos no radiativos.

This Final Degree Project focuses on the study of the optical properties of titanium dioxide doped with different proportions of trivalent lanthanides, namely trivalent europium, Eu³⁺, and trivalent ytterbium, Yb³⁺. The interest of this study lies in the efficiency of titanium dioxide in certain industrial applications such as renewable energies and photocatalysis, which can be increased by adding trivalent rare earths as impurities. Nanoparticles were synthesised using the sol-gel method of titanium dioxide in the anatase phase with different concentrations of impurities. First, the semiconductor was doped with Eu³⁺, then with Yb³⁺; and finally, both together in order to study the variations after co-doping. Subsequently, the crystalline size of the nanoparticles was determined by X-ray diffraction and their optical properties were characterised by fluorescence spectroscopy, obtaining the emission and excitation spectra at different wavelengths, as well as the lifetimes of the added impurities and the anatase phase. The experimental results of X-ray diffraction show that the particle size decreases as the doping increases for all three cases. It should be noted that when TiO₂ is doped with 8% and 10% concentrations of Yb³⁺, a segregated phase belonging to Yb₂O₃ is produced. It should be noted that the energy transfer process between the matrix and the ions and between the ions themselves is verified, as it can be seen in both the emission and absorption spectra and in the lifetimes. In addition, phenomena such as concentration quenching and cross-relaxation are evident, which intervene in the emission processes of rare earths as non-radiative processes.