Estudo teórico-computacional da conversão ascendente de energia em LiYF4:Yb3+, Er3+ com ênfase em Termometria

Abstract

Foi investigada a maneira com que parâmetros tais como, concentração de íon sensibilizador, densidade de potência da fonte de excitação, taxas de decaimento não radiativo, taxas de emissão e a temperatura influenciam a dinâmica da conversão ascendente de energia (CAE) em sistemas LiYF4: Yb3+,Er3+. O estudo envolveu a matriz hospedeira LiYF4 por possuir comportamento semelhante à muitos tipos de nanopartículas. O íon Yb3+ é um dos sensibilizadores mais utilizados, pois apresenta elevada absorção em 980 nm em relação a outros íons Ln3+, podendo ser excitado por lasers de diodo. O íon ativador Er3+ é muito utilizado em CAE, com emissões no vermelho, verde e azul, além de possuir dois níveis excitados acoplados termicamente 4S3/2 e 2H11/2, que são empregados em termometria. Foi desenvolvido um sistema de equações de taxa para modelar a dinâmica da CAE. As taxas de decaimento não radiativo foram calculadas com base no modelo de relaxação por multifonons. Os valores de constantes de taxa de transferência de energia foram obtidos a partir de valores na literatura. O sistema de equações de taxa foi resolvido numericamente com o algoritmo Runge-Kutta de ordem 4 e passo temporal adaptativo. Foram testados valores das taxas dos níveis emissores, em intervalos encontrados na literatura, típicos para sistemas que apresentam luminescência. As curvas para a lei de potência da CAE em diferentes condições desse sistema indicam uma dependência muito próxima de 2 fótons para CAE. Foi observado que houve um distanciamento dessa dependência ao se utilizar elevados valores da densidade de potência de excitação, consistente com a saturação. Foi obtido e avaliado o parâmetro termométrico baseado nos níveis acoplados termicamente do íon Er3+ visando à influência da dinâmica CAE nas populações térmicas em equilíbrio desses níveis. Os resultados sugerem que a aproximação de equilíbrio térmico dos níveis acoplados termicamente é válida para os intervalos de taxas utilizados e fornecem condições nas quais o comportamento do sistema corresponde de maneira satisfatória ao funcionamento de termômetros baseados na distribuição de Boltzmann.