MAT2016-75586-C4-4-P. Characterization of oxide and fluoride nano-perovskites doped with luminescent ions under extreme conditions: application in photonic systems (EXTREM-NANOPER)

Este subproyecto pretende realizar estudios experimentales en nanopartículas cristalinas basadas en perovskitas (óxidos y fluoruros) dopadas con iones luminiscentes de tierras raras (TR3+) y metales de transición (MT). Se analizarán sus propiedades estructurales, vibracionales y ópticas en condiciones ambiente y extremas de presión (P) y temperatura (T). Todas estas medidas se encuentran accesibles en nuestro laboratorio. Debido a sus múltiples propiedades, las nanopartículas de perovskitas encuentran aplicación en campos tecnológicos muy diversos, tales como los relacionados con energía solar fotovoltáica, sensores de gases o en el desarrollo de materiales luminiscentes para su uso en medios activos para láseres, conversores de infrarrojo a visible, amplificadores ópticos o en biomedicina para su aplicación en imágenes «in vivo» o «in vitro». Los nanocristales se caracterizan por poseer propiedades únicas que no se encuentran en sus análogos de volumen. Desde el punto de vista de la luminiscencia, la eficiencia cuántica de estos materiales en el intervalo de estudio, es decir el UV-Vis-NIR, es un factor decisivo para su posible aplicabilidad. Éste parámetro depende de muchos factores tales como la composición, tamaño de los nanocristales, localización y distribución de los iones dopantes, defectos en la matríz, etc, por tanto se requiere de un riguroso estudio que abarque no solo las propiedades ópticas sino además, las propiedades estructurales mediante difracción de rayos X (DRX) y vibracionales con medidas de espectroscopia Raman e infrarroja (Raman y FTIR). La técnica de alta Presión, aplicada tanto a las técnicas de luminiscencia, DRX y Raman permiten modular de forma continua tanto las propiedades luminiscentes como las estructurales y vibracionales, respectivamente, obteniendo así una mayor comprensión de la correlación entre estructura y propiedades luminiscentes. El plan de trabajo se puede describir en los siguientes puntos:

• Síntesis de nanocristales de perovskitas dopados con iones de TR y MT, en particular, MSnO3 (M= Ca, Sr, Ba), YAlO3 (YAP) y KZnF3, mediante diferentes técnicas.
• Caracterización estructural (DRX), vibracional (Raman y FTIR), óptica (medidas de absorción, luminiscencia, dinámicas temporales) en condiciones ambiente y extremas de P y T, caracterización morfológica (SEM, HRTM y AFM) y técnicas de nano-espectroscopía (XANES, EXAFS, XEOL).
• Desarrollo de software dedicado al análisis de datos de DRX en condiciones extremas de P y T (obtención de EoS y parámetros estructurales).
• Comparación de los resultados experimentales con los resultados teóricos obtenidos mediantes cálculos ab-initio realizados por el otro subproyecto.
• Estudio de la optimización de las propiedades luminiscentes para aplicaciones específicas (sensores de P y T y sistemas de ganancia óptica cuando actúan como dopantes en microesferas vítreas), en función de la composición, tamaño de partícula, concentración y distribución de dopante. – Formación de jóvenes investigadores.

This project is based on experimental studies on crystalline perovskite-based nanoparticles (oxides and fluorides) doped with luminescent rare earth ions (TR3+) and transition metals (MT). Its structural, vibrational and optical properties will be analyzed under ambient and extreme conditions of pressure (P) and temperature (T). All these measures are available in our laboratory. Because of its many properties, nanoparticles perovskites are used in a wide range of technological fields, such as those related to solar photovoltaic energy, gas sensors or in the development of luminescent materials used in active media for lasers, infrared to visible upconverters, optical amplifiers or in biomedicine for application in images «»in vivo»» or «»in vitro»». Nanocrystals are characterized by unique properties which are not found in their bulk counterparts. From the viewpoint of the luminescence, quantum efficiency in the optical interval, ie the UV-Vis-NIR, it is a decisive factor for their possible applicability. This parameter depends on many factors such as composition, size of the nanocrystals, location and distribution of dopant ions, defects in the matrix, etc. therefore requires a rigorous study covering not only the optical properties but also the structural properties by X-ray diffraction (XRD) and vibrational Raman spectroscopy measures and infrared (FTIR and Raman). The high pressure technique, applied both luminescence techniques, XRD and Raman allow to tune continuously both luminescent properties as the structural and vibrational respectively, thus obtaining a further understanding into the correlation between structure and luminescences properties. The work plan can be described in the following points:

• Synthesis of nanocrystals doped perovskites TR and MT ions, in particular, MSnO3 (M = Ca, Sr, Ba), YAlO3 (YAP) and KZnF3, using different techniques
• Structural characterization (XRD), vibrational (Raman and FTIR), optical (absorption measurements, luminescence, dynamic temporary) under ambient and extreme conditions of P and T, morphological characterization (SEM, HRTM and AFM) and techniques of nanospectroscopy (XANES , EXAFS, XEOL).
• Development of software dedicated to the analysis of XRD data in extreme conditions of P and T (EoS obtaining and structural parameters)
• Comparison of experimental results with theoretical results from ab-initio calculations made by the other subproject.
• Study of optimizing the luminescent properties for specific applications (P and T sensors and optical gain systems as doping in glass microspheres), depending on composition, particle size and distribution of dopant concentration.
• Training of young researchers