Idea principal de la monografia

En orden de determinar band gap óptico, la relación de Tauc fue usado como sigue:

Una baja reflectividad y una alta transmitancia en la región visible enfatiza la importancia de usar películas delgas de ZnS para sus aplicaciones solares.

El coeficiente de extinción podría ser calculado usando la relación: (ecuación). La figura 15 muestra la variación del coeficiente extinción como una función de la longitud de onda; esto muestra un agudo/fuerte incremento en la región ultravioleta debido a la alta absorbancia fotones incidentes cerca del band gap.

Las graficas de la energía de confinamiento en su estado fundamental en contra del tamaño (radio) por nanopartículas de sulfato de zinc en la Figura 14 muestran la dependencia de confinamiento en el tamaño de los puntos quánticos. El resultado muestra que el estado fundamental de energía en confinamiento es inversamente proporciona al tamaño (radio). Por lo tanto, cuando uno incrementa su radio (tamaño) la energía de confinamiento decrece pero nunca llega a cero. Eso es, el energía mas baja posible para el punto quántica de muestra no es cero. El confinamiento comienza cuando el radio del punto cuántico de muestra es comparable o del orden del radio exciton de Bohr.

2.1. Mecanismos de reacción. El mecanismo fundamental de crecimiento de CBD involucra el transporte de masa de los reactantes, adsorción, difusión de superficie, reacción, nucleación y crecimiento. Las películas delgadas de ZnS-NPS pueden ser preparadas por descomposición de Tiourea [SC (NH₂) ₂].(con S como el ión fuente) en una solución alkaina conteniendo un sulfato de Zinc y ammonia como un agente quelante que permite controlar la concentración Zn. El proceso de deposición esta basado en la lenta liberación de iones Zn y S en la solución, que entonces condensa en un base ion-por-ion en el sustrato que es propiamente montado en una solución de reacción. La deposición de una delgada película de ZnS ocurre cuando el producto iónico de Zn(+2) y los iones S (2-) exceden la producto de solubilidad de ZnS. El mecanismo de reacción para la deposición de la pelicula delgada (ZnS) es dada como sigue:

La figura 9 muestra el decrecimiento de las transmitancia óptica en la región visible con un incremento del grosor de la película (incrementando el tiempo de inmersión).

Ha sido encontrado que la energía de Urbach con el tiempo de deposición. Esto es probablemente debido al incremento de los desordenes estructurales y los defectos en las películas preparadas.

Para muchos semiconductores amorfos y cristalinos, una dependencia exponencial del coeficiente de absorción puede tomar la formula empírica de Urbach [28]:

donde es una constante y (la energía de Urbach) es una energía caracterizada por el grado de desorden introducido de defectos y los limites de grano; también es interpretado como el amplio de la cos estados localizados de la cola asociados con los estados amorfos en la banda prohibida. La figura 12 representa el logaritmo del coeficiente absorción como una función del fotón de energía a diferentes tiempos de deposición (20,30,40 y 50 min). El valor de la energía de Urbach es calculado desde la pendiente inversa de la parte linear de las las curvas y también enlistado en la Tabla 3.

En la figura 11, hemos reportado la variación de la energía del band gap como una función de los diámetros de deposición del ZnS-NPS. Se puede notar el incremento de energía band gap con la decreció del tamaño de grano; esto es debido al efecto de tamaño cuántico mientras que los niveles de energía son confinados a pozos potenciales de pequeña dimensión. La distancia entre los niveles de energía incrementan mientras el tamaño del cristal se vuelve más pequeño [22].

La variación de la energía del band gap y de Urbach de las películas delgadas de ZnS con tiempos de deposición es mostrado en la figura 13. La valores del energía band gap de las películas ZnS decrecían con el incremento del tiempo de deposición lo cual es debido a la aglomeración de las ZnS-NPS. El valor mínimo de la energía de Urbach obtenido a 20 min indica una muy débil cola de absorción debido los defectos minimizados e impurezas que mejoran la transparencia y la conductividad óptica en el revestimiento de la pelicula en ese momento.

El sulfuro de Zinc es uno de los más importantes materiales semi-conductores II-VI debido a sus distintivas propiedades eléctricas y ópticas. Las nanopartículas del sulfuro de Zinc (ZnS-NPS) con un amplio band gap (3.5-3.8 eV) recientemente han recibido una intensiva atención por ser usadas en muchas aplicaciones [1] tales como actividades anti microbios [2,3], dispositivos electro-lumiscentes, dispositivos fotónicos [4], dispositivos de emisión de campo [5], sensores [6,7] y aplicaciones en ventanas infrarrojas [8] y láseres [9, 10]. Una variedad de métodos químicos y físicos han sido utilizados para sintetizar ZnS-NPS tales como evaporación termal [11], pulverización catódica [12], pirolisis por spray [13], deposición química de vapor [14], Crecimiento epitaxial por haces moleculares [15], la deposición por laser pulsado [16], microondas [17, 18] procesos químicos húmedos [19.20], preparación somóquimica [21], y síntesis verde- Entre los diversos métodos, el baño químico por deposición (CBD) es el más comúnmente usado por su simplicidad, bajo costo y revestimiento de grandes areas del semiconductor con una buena calidad y una alta pureza de películas delgadas. El principal objetivo del presente trabajo es estudiar la influencia del baño de temperatura y el tiempo de deposición en la superficie topográfica y las propiedades ópticas de películas delgadas de ZnS-NP.

Cerámicos translucidos MgO dopados con diferentes concentraciones de Tb fueron preparadas por el método SPS. Además, las propiedades ópticas, de centelleo y dosimétricas fueron evaluadas sistemáticamente. En la PL y el espectro de centelleo, los agudos picos de emisión debido a las transiciones 2f-4f de Tb(3+) fueron observados. En en las curvas de decaimiento de PL y centelleo, las constantes de tiempo de decaimiento dieron unos pocos ms los cuales estuvieron en un típico orden para las transmisiones 4f-4f del Tb. Las cuervas de crecimiento de luminiscencia térmicamente estimulada (TSL) exhibieron picos de crecimiento por alrededor de 80°C, 160°C después de ser expuestos a rayos X de 10 mGy. La intensidad del pico TSL a 160°C exhibió una respuesta linear contra los rayos X dosis sobre dosis en un rango de 0.1-10 mGy. La luminiscencia ópticamente estimulada (OSL) bajo la estimulación de 590 nm exhibió fuertes emisiones debido al Tb 83+) alrededor de 385-550 nm después de ser expuesta a los rayos x. Como en TSL, la intensidad de los picos de OSL mostraron una respuesta linear a la dosis de rayos X, y un rango dinámico confirmado de 0.1-1000 mGy.

Previamente se ha reportado que cerámicos MgO:Tb muestran notables propiedades OSL con un rango dinámico de 0.1 - 10,000 mGy. Sin embargo, las propiedades dosimétricas de los cerámicos translucidos fabricados por el método de SPS no han sido todavía investigados. En este estudio, ceramios translucidos de MgO dopados con ion Tb a (0.004, 0.01, 0.05 y 0.1) fueron fabricados por el método SPS.

Después de la síntesis, el espectro de transmitancia de MgO no dopado y de cerámicos obtenidos de MgO:Tb fueron comparados. Además, la PL y el espectro de de centelleo y sus perfiles de tiempo de decaimiento fueron caracterizados. Como aplicaciones dosimétricas, TSL y OSL también fueron demostradas.

La figura 7 muestra curvas de crecimiento de TSL de las muestras de cerámicos. Dichas curvas fueron medidas después de que las muestras fueran expuestas a rayos X (10 mGy). Principalmente fueron dos picos de crecimiento de TSL los que fueron observados a 80 y 160°C.

La Tabla 1 resume los picos máximos de temperatura, las energías de activación y los factores de frecuencia. Las energías de activación y los factores de frecuencia fueron derivados por aproximaciones numéricas asumiendo la cinética de primer orden. Los detalles pueden ser encontrados en otra parte. Los valores máximos de temperatura y las energías de activación fueron casi las mimas sin importar su concentración de Tb. Los resultados sugieren que los orígenes de los centros de atrapamiento para TSL son atribuidos al MgO anfitrión. Además, los valores de los factores de frecuencia sugieren que una causa primaria de TSL fue el efecto túnel para el pico TSL a 80°C y la ionización térmica para os picos de 160 y 190°C. En adición , la intensidad TSL de MgO: 0.1%Tb fue la mayor entre las muestras. La mejora de la señal de TSL por dopaje de Tb puede ser asociada con una generación de centros defectos responsables por TSL mientras que un decrecimiento en MgO:%0.5Tb puede deberse a la concentración de apagamiento. Así que, la concentración optima para obtener la máxima sensibilidad de TSL es aproximadamente de -0.1%.

La figura 4 muestra los perfiles de decaimiento por PL de los cerámicos MgO:Tb. La excitación de la longitud de onda fue de 340 nm mientras que cada emisión de longitud de onda monitoreada durante las mediciones fue de 385 nm. Cada curva de decaimiento fue aproximada para una función exponencial de decaimiento, en la cual las constantes de tiempo para PL fueron derivadas como: 2.7 ms, 2.2 ms, 1.5 ms y 1.1. ms. estos tiempos de decaimiento fueron típicos para las transiciones 4f-4f del Tb(3+) basado en estudios pasados. El tiempo de decaimiento se volvió más rápido con e incremento de concentración de Tb. Este comportamiento es típicamente observado debido a la concentración de apagamiento, que también fue sugerido para la intensidad de PL.

La Figura 6 muestra los perfiles de decaimiento POR centelleo inducido por rayos X de cerámicos de MgO:Tb. Cada cuerva de decaimiento fue aproximada por una función exponencial de decaimiento de primer orden. Las constantes del tiempo decaimiento de centello derivadas fueron 1.1 ms para todas las muestras cerámicas. Los valores son típicos para las transiciones 4f-4f de Tb(3+). Las constantes de tiempo de decaimiento de centelleo debidas a las transiciones de Tb(3+) fueron más cortas que aqullas observadas en PL y otros materiales reportados que fueron dopados con Tb en pasados estudios. En general, el tiempo de decaimiento por centello es más largo que el tiempo de decaimiento por PL ya que el proceso de centelleo involucra energía adicional en el proceso de migración. En el presente caso, una interpretación típica es que competencias entre la transferencia de energía y el apagamiento de estados en excitados están siendo llevados a cabo, lo que causa un tiempo de decaimiento menor en centelleo a comparación del obtenido por PL. En PL, únicamente electrones en los orbitales 4f de TB (3+) son excitados y las interacciones de electrones excitados pueden ser ignorados. Por otra parte, en el centelleo muchos electrones secundario son generados entre una típica escala de 10-100 nm por cada fotón incidente de rayos X, así que las interacciones de estos electrones libres no pueden ser ignorados. En los materiales presentes, el proceso de apagamiento debido a las interacciones de electrones secundarios excitados debería ser dominante. Esto es porque la dependencia de la intensidad de PL en la concentración de Tb no fue consistente con la intensidad de centello así como también los tiempos de decaimiento de PL fueron más largos que los tiempos de decaimiento de centelleo.

La Figura 5 muestra el espectro de centelleo inducido por rayos X de las muestras cerámicas. En el espectro, varios picos puntiagudos fueron confirmados sobre longitudes de onda de 350-650 nm para cerámicos MgO:Tb. Los orígenes de estos picos de emisión fueron atribuidos a las transiciones 4f-4f del Tb(+3) como se indico en la Figura 3, basados en estudios pasados. La intensidad de centelleo fue casi la misma entre las muestra cerámicas preparadas de MgO:Tb, lo que no es consistente con la intensidad de Pl.

La Fig 3 muestra el espectro PL del los cerámicos MgO y los MgO: Tb bajo la excitación de una longitud de onda de 280 nm. Varios de los picos de emisión fueron observados sobre longitudes de onda de 350-650 nm para los ceramicos de MgO:Tb. Los origenes de estos picos fueron atribuidos a las transiciones 4f-4f del Tb(3+) basados en estudios pasados. Cada transicón es indicada en la Fig. . Entre las muestras ceramicas prepardas, la intensidad del MgO: Tb a una concentración de 0.01% fue la más alta. La intensidad de la PL decreció con el incremento de la concentración de Tb, y la razón fue considerada que era debido a la concentración de apagamiento, Por otra parte, el MgO no muetsra ninguna señal medible.

La Fig.2 muestra el espectro de transmitancia en-linea de las muestras cerámicas de MgO no dopado y de MgO:Tb.

La transmitancia decrece con un incremento de la concentración de Tb sobre la longitud de onda de 200-2700 nm. La transmitancia era cercana a cero y más las longitudes de onda menores de 200 nm para todas las muestras. La ultima longitud de onda era más larga que la longitud de onda correspondiente a la banda de energía de MgO ( 7.8 eV- 159 nm).

La Fig 1 muestra una fotografía de muestras cerámicas de MgO no dopado y de MgO:Tb con diferentes concentraciones de Tb bajo la luz de una habitación. El grosor de las muestras es de aproximadamente 1.1. mm después de haber sido pulidos. Por otra parte, el patrón de tiras en el fondo del MgO no dopado con una concentración de Tb de 0% , 0.01% y 0.05% puede verse. Por otra parte, el MgO con una concentración de Tb de 0.1% y de 0.5% no es transparente.

En este estudio, nos enfocamos en el cerámico de MgO dopado con Tb como un potencial material dosimétrico. . Los cerámicos de MgO tienen excelentes propiedades térmicas y mecánicas con un alto punto de fusión (2800°C). Hasta ahora, los cerámicos de MgO dopados con varios diferentes transiciones y elementos de tierras raras han sido estudiados para dosímetros.

Recientemente, la fabricación de cerámicos ópticamente transparentes ha sido desarrollada con los avances en las técnicas de fabricación de cerámicos, especialmente en el campo del estudio de los láseres. En general, los cerámicos ópticamente transparentes son fabricados por prensado isostático en caliente o por sinterización al vacío a muy altas temperaturas utilizando polvos ultrapuros. Debido a la alta sinterización de los polvos nano cristalinos con el ritmo de densificación de la sinterización por plasma de chispa (SPS), la técnica de SPS ha sido ampliamente promovida como un método novedoso para la fabricación de óxidos policristalinos transparentes. En general, el SPS es llevado a cabo en una atmosfera altamente reductiva; por lo que, las vacancias de oxígeno son efectivamente creadas y las propiedades del dosímetro se esperan que sean mejoradas. En nuestros previos estudios, muchos tipos de cerámicos transparentes son fabricados por el método SPS en orden de mejorar las propiedades dosimétricas de los cerámicos.

Recientemente, OSL ha sido desarrollado para uno de los métodos alternativos para TSL. OSL tiene varias ventajas sobre la dosimetría de radiación por TSL. La naturaleza de el proceso óptico de lectura no involucra problemas de radiación de cuerpo negro y apagamiento térmico que son inevitables durante las lecturas de TSL. En adición, una entrega precisa de una luz estimulada permite múltiples lecturas con la misma precisión y con un reducción mínima de trampas.

Los dosímetros almacenan y acumulan energía radiactiva incidente en una forma de atrapamiento en centros localizados. La energía absorbida puede ser entendida como una forma de emisiones de fotón por una estimulación externa, que captura de nuevo las cargas atrapadas seguidas por recombinación. Cuando la estimulación es luz, la resultante luz de emisión es la tan llamada "luminiscencia ópticamente estimulada" (OSL) mientras que la luz estimulada por calor es la llamada "luminiscencia térmicamente-estimulada" (TSL). El uso de TSL para la dosimetría de radiación ha sido establecida por muchas décadas. Hasta ahora, muchos tipos de materiales TSL tales como LI2B4O7:Cu, Mg2SiO4:Tb, CaSO4:Dy y CaSO4:Tm y LiF:Mg, Cu, P han sido desarrollados [6].

Dosímetros son requeridos en varias aplicaciones de detección de radiación, tales como monitoreo de personal 1-3], dosimetría ambiental [4] y dosimetría retrospectiva accidental [5].

Dosímetros han sido usados por décadas para determinar la dosis de radiación, la energía y la distribución espacial.