Jauni nanoizmēru oksīdu materiāli ar upconversion luminiscenci (2017. - 2020.)

Projekta vadītājs Tamara Gavrilovic

Vienošanās Nr. 1.1.1.2/16/I/001

Pētniecības pieteikuma Nr. 1.1.1.2/VIAA/1/16/215

Projekta mērķis ir jaunu augšuppārveidotās luminiscences nanomateriālu sintēze, kas sevī ietver materiālu stabilizēšanas, modificēšanas, virsmas (bio)funkcionalizēšanas un toksicitātes, risinājumu meklēšanu. Plānots izstrādāt pārklātas un modificētas vairākas luminiscento augšuppārveidoto materiālu grupas.Tajā skaitā: Metālu oksīdi ( TiO2, ZnO, ZrO2, HfO2, SnO2), alumināti ( SrAlO4), silikāti (SrSiO4) un fosfāti (APO4, A = La, Y, Gd, Lu). Šo funkcionālo nanomateriālu īpašības tiks gan pētītas no fundamentālā zinātnes skatu punkta, gan pielāgotas praktiskiem pielietojumiem, to skaitā specifiskiem augsto tehnoloģiju produktiem, kuri pašlaik ir pieprasīti Latvijas industrijā. Kā piemērs, minētās struktūras varētu tikt pielietotas cietvielu lāzeru pastiprinātājos, attēlveidošanas līdzekļu materiālos, audzēju atklāšanā un zāļu pievadīšanā.

Projekts tiks realizēts LU Cietvielu fizikas institūtā sadarbībā ar Tartu Universitātes Fizikas institūtu. Projektu plānots īstenot inovatīvo materiālu un tehnoloģijas nozarē izmantojot starpdisciplinaritāti - dabas zinātnes (1.3 fizika (Physical sciences) un 1.4 Ķīmija (Chemical sciences)) un inženierzinātnes un tehnoloģija (2.5 materiālu zinātne (Materials engineering) un 2.10 nanotehnoliģijas (Nano-technology)). Projektam ir tiešai sasaiste ar Viedās specializācijas stratēģiju (VSS), jo projekta mērķi atbilst RIS3 noteiktajiem tautsaimniecības transformācijas virzieniem un izaugsmes 1., 2. un 3.prioritātei. Projekta galvenās aktivitātes ir jaunu materiālu sintēze to īpašību pārbaude un materiālu pārbaude

Projekta realizācijas laiks 36 mēneši, kopējais finansējums 133805.88 EUR.


Jaunumi par projektu

(05.04.2019. - 04.07.2019.)

Mikroviļņu un līdzizgulsnēšanas metodes tika izmantotas, lai iegūtu dluorīda bāzei pievienota fosfora savienojumus, dopētus ar retzemju joniem (Er3+, Ho3+, Yb3+), kā arī dažādu morfoloģiju un daļiņu izmēriem.  Paraugu analīzei izmantoja termisko analīzi (TGA/DTA), izkliedes spektrus un pulveru rentgenanalīzi (datu apstrādei izmatoja Ritvelda metodi). Iegūto nanodaļiņu izmēri bija robežās no  2.96 līdz 9.06 nm. Sadarbībā ar Vinčas Kodolzinātnes institūtu Vinča Institute of Nuclear Sciences (Belgrada, Serbija) mobilitātes programmas ietvaros tika veikta LaF3:Er3+, Yb3+  PVP modifikācija, pielietojot miktoviļņu metodi.  Ar ātru un ekonomisku līdzizgulsnēšanas metodi ieguva magnija spineļa (MgAl2O4) pulverus dopētus ar Yb3+ joniem, kurus izkarsēja 2 stundas pie 800 °C (kristalītu izmērs 2.96 nm). Spineļiem raksturīga augsta kušanas temperatūra (2135 °C), augsta pretestība termotriecieniem un mehāniskā izturība. Tādiem materiāliem ir plašs pielīetojums: caurspīdīgas bruņu keramikas, pusvadītāji, sensori, katalizatori, luminiscence un pigmenti. Tiek veikti tālāki pētījumi.  

Maijā pārskats par augstas intensitātes sarkanajiem gaismu emitējošajiem GdF3:Er3+, Yb3+ fosforiem, to iegūšanu un augšupvērstu konversiju pētījumiem, kā arī iegūšanu ar vienkāršu un videi draudzīgu līdzizgulsnēšanas metodi, tika prezentēts prestižajā nanotehnoloģiju un materiālzinātnes konferencē -  8th International Conference on Nanotechnology & Materials Science  (Amsterdama, Nīderlande).

Tālākajos pētījumos tiks iegūti spīdoši materiāli ar uzlabotām īpašībām izmantošanai biomedicīnā un temperatūras sensoros. Iespējams, ka jau būs iespēja izveidot ierīces prototipu.


Jaunumi par projektu

(05.01.2019. - 04.04.2019.)

Ar dažādas koncentrācijas retzemju joniem (Er, Er/Yb) dopēti fluorīdi (GdF3 un LaF3) tika izgatavoti izmantojot vienkāršu līdzizgulsnēšanas paņēmienu. Tālāk sistemātiski raksturoja iegūto materiālu optiskās īpašības, kā arī struktūru un morfoloģiju      (SEM/TEM, XRD, EDX analīze). Bez tam ar solu-gelu metodi ir sintezēts jauns fotonikas materiāls (YbPO4:10mol%Eu3+ ).

Februārī mobilitātes ietvaros tika veikti pētijumi partnerorganizācijā - Vinča Institute of Nuclear Sciences  (Belgrada, Serbija). To ietvaros noteica  YbPO4:Eu3+ nanopulveru struktūru, kombinējot Ritvelda analīzi ar pulvera rentgenanalīzes mērījumiem. Temperatūru intervālā no 307 līdz 473 K GdF3:Er,Yb (600℃, 2 stundas) un GdF3:Er,Yb@SiO2 (600℃, 2 stundas) tika izmērīti arī luminiscences spektri.

Martā informāciju par gaismu emitējošu hibrīdo nanoatruktūru YbPO4:Eu3+@SiO2 izgatavošanu un lejup/augšup konversijas īpašībām prezentēja 17th International Conference on Emerging Materials and Nanotechnology (Berlīne, Vācija).

Procesā ir GdF3:Er,Yb@YbF3 nanodaļiņu ar silīcija dioksīda aizsargslāni izgatavošana, izmantojot līdzizgulsnēšanu un tālāku kodināšanu. Jauno mteriālu raksturošanai izmantos pulvera rentgenanalīzi un  EDX.

Pētījumu popularizēšanai ir plānota dalība zinātnei veltītā Latvijas televīzijas raidījumā, kuru organizē Valsts izglītības attīstības aģentūra.


Jaunumi par projektu

11.01.2019.

Ar kombinēto solu-gelu un izgulsnēšanas metodi sintezēja Saules enerģijas konversijas materiālus (GdF3, DyPO4 and YbPO4), dopētus ar lantanīdu joniem. Izvēloties piemērotus reakcijas parametrus (pH un temperatūru). Gaismu emitējošs YbPO4:Eu ir jauns materiāls un iegūtajiem paraugiem ir raksturīga homogēna morfoloģija, kristāliskums un ievērojama emisijas intensitāte arī no augstākajiem ierosinātajiem stāvokļiem (5D1, 5D2, 5D3). Fononu enerģija ir pietiekoši zema, lai būtu novērojamas augstāku enerģiju līnijas pie 450-570 līdzīgi fluorīdu, germanātu un telurīdu stikliem.

GdF3:Er, Yb nodemonstrēta iespēja mainīt krāsu pie atkvēlināšanas temperatūras. To var izmantot attēlveidošanā un terapijā (zāļu pārnesē). Reģistrētā Er3+ emisija pie redzei drošas ierosmes – 131nm, var tikt izmantota optisko sakaru tīklos.

Iegūtos paraugu ar diametru 20nm aizsargāja ar amorfa silīcija palīdzību. Brīvo silanola grupu eamība uz virsmas nodrošināja ne tikai labu paraugu šķīdību ūdenī, bet arī iespēju piesaistīt virsmai dažādas molekulas, kas ir noderīgi pielietojumiem medicīnā un bioloģijā, veidojot hibrīdas struktūras.

Tālākajā darbā ir paredzēta daudzfunkcionāla virsmas modifikācija, lai iegūtu materiālus pielietojumam temperatūras sensoros, kā arī lai palielinātu un iestatītu emisijas intensitāti.


Jaunumi par projektu

11.10.2018.

Koloidālas augšup-pārveidotas LaPO4 ultra-mazās nanodaļiņas (2 nm) dopētas ar sensibilizatoriem (Ho3+, Tm3++ un Er3+) dažādās koncentrācijās un Yb3+ kā aktivatoru joniem, tika sistemātiski izpētītas ar XRD, TEM, kā arī lejup un augšup pārveidotās luminiscences spektroskopiju istabas un zemās temperatūrās. Katram dopantam ir iegūti paraugi ar apmierinošu luminiscences intensitāti.

Septembra mēneša laikā darbs ''Termoluminescence un augstas izšķirtspējas luminiscences spektroskopija LaPO4:Eu nanodaļiņās”, kurā tiek pētīta defektu ietekme uz luminiscentām lantāna nanodaļiņām tika prezentēts 5. starptautiskajā konferencē Optisko Materiālu Fizika (ICOM 2018), Igalo, Montenegro .

Augustā, darbs ar nosaukumu ''Ultra-mazu koloidālo LaPO4:Eu3+ un Tm3+/Yb3+ + un Er3+/Yb3+, Ho3+/Yb3+ dopētu - REVO4 (RE = Gd3+, Y3+, Lu3+) multifunkcionālu lejup un augšup pārveidojošo nanodaļiņu sintēze istabas temperatūrā” tika prezentēts 32. “Conference of European Colloid and Interface Society” konferencē.

Mēs turpināsim strādāt, cerams, iegūstot advancētus luminiscējošos materiālus ar uzlabotām īpašībām, un svarīgiem (biomedicīniskiem) pielietojumiem.


Jaunumi par projektu

11.07.2018.

Dažāda izmēra LaPO4: Eu3+ nanodaļiņu augstas izšķirtspējas luminiscences spektroskopija un termoluminescence

Jauna publikācija ERAF Post Doc projekta Nr. 1.1.1.2/VIAA/1/16/215 ietvaros, kurā ietverts detalizēta daļiņu lieluma efekta un virsmas defektu ietekme uz luminiscences intensitāti, spektru formu un struktūru.

Tamara Gavrilovičs, Katrīna Laganovska, Aleksejs Zolotarjovs, Krišjānis Smits, Dragana J. Jovanovičs, Miroslavs D. Dramičanins

Monoklīniskā monazīta LaPO4: Eu3+ nanodaļiņas (5 nm) un nanostienīši (2 nm × 15 nm un 4 nm × 20 nm) tika sagatavoti ar reversās micellas un līdz-izgulsnēšanās metodēm. Daļiņu izmēra un virsmas defektu ietekme uz luminiscences intensitāti un emisijas spektra formām tika analizēta ar augstas izšķirtspējas spektroskopiju, izmantojot lāzera (266 nm) un rentgena starojumus. Visiem sintezētajiem paraugiem bija līdzīgas spektrālās īpašības ar raksturīgām Eu3+ jonu emisijas joslām. Stārka komponentu daudzums ir lielākais 5 nm nanodaļiņām. Šajā paraugā arī luminisceces intensitāte ir visaugstākā. Papildus tika pētīta termostimulētā luminiscence visbiežāk dominējošajam maksimumam pie 611,5 nm. Salīdzinot ar termiski neapstrādātiem paraugiem, TSL spektra maksimuma intensitāte bija lielāka termiski apstrādātu paraugu gadījumā. Publikācijā tika analizētas spīdes līknes un tika novērtēti un apspriesti slazdošanas parametri. Termiski apstrādātajam paraugam tika iegūtas augstākas dzišanas laika (τ) un emisijas kvantu efektivitātes 5D07F2 vērtības salīdzinot ar citiem paraugiem. Luminiscences intensitātes atkarība no nanodaļiņu izmēra papildina ne tikai fundamentālās zināšanas, bet sniedz arī informāciju, kas ļauj novērtēt iespējamos nanodaļiņu pielietojumus jaunu nanokompozītu luminiscences materiālu vai pat nanoscintilatoru izveidošanai medicīniskām vajadzībām.

https://doi.org/10.1016/j.optmat.2018.05.042 Optical Materials

GdVO4: Nd3+/Er3+ un GdVO4:Nd3+/Ho3+ augšuppārveidotā luminiscence ierosinot ar 808 nm

Dragana J. Jovanoviča, Tamara V. Gavrilovičs, Slobodan D. Doličs, Milena Marinovič-Cincović, Krisjanis Smits, Miroslavs D. Dramičanins

Lai izveidotu uz GdVO4 balstītus augšuppārveidotās luminiscences materiālus (kurus iespējams ierosināt pie 808nm), izmantojot augstas temperatūras cietvielu reakcijas metodi, tika sagatavoti GdVO4: xmol% Ho3+/1mol% Nd3+ un GdVO4:xmol% Er3+/ 1mol% Nd3+ ( x = 0,5 un 1) paraugi.

Izmantojot lāzera diodi (1 W) kā ierosmes avotu, AP luminiscences emisija (reģistrēta 500-715 nm diapazonā) tika sekmīgi novērota visos paraugos 808 nm apgaismojumā. Tuvās infrasarkanās gaismas radītās emisijas joslas redzamas spektra zaļajos un dzeltenīgi oranžos apgabalos. Dominējošā josla, kuras izcelsme ir 4G7/2 4I11/2 pāreja Nd3+ jonos, visos pētītajos materiālos tika novērota ap 597 nm.

https://doi.org/10.1016/j.optmat.2018.05.033 Optical Materials

2. nodaļa: DAUDZFUNKCIONĀLU NEORGANISKO MATERIĀLU SINTĒZE: NO MIKROMETRU LĪDZ NANOMETRU DIMENSIJĀM Nanomaterials for Green Energy (Eds. Bharat A. Bhanvase, Vijay B. Pawade, Sanjay J. Dhoble, Shirish H. Sonawane, Muthupandian Ashokkumar), Elsevier, 2018, ISBN: 978-0-12-813731-4.

Apraksta dažādu veidu sintētiskās metodes daudzfunkcionālu neorganisko materiālu sagatavošanai saistībā ar dažādiem pielietojumiem, piemēram: tīru vidi, atjaunojamo un ilgtspējīgo enerģijas ieguvi, ūdens sadalīšanu un ūdeņraža ģenerēšanu, degvielas un saules enerģijas iekārtas.

Visi rezultāti tika prezentēti mutiski, izmantojot Postdoc projekta sanāksmi Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūtā


Jaunumi par projektu

03.04.2018.

Daļiņu izmēra ietekme uz Eu3+:LaPO4 un EuPO4 fosforu struktūru un emisiju.

ERDF Post Doc project No. 1.1.1.2/VIAA/1/16/215 ietvaros tikusi izdota jauna publikācija, kura ietver daļiņu izmēra ietekmes izpēti uz strukturālajām un luminiscences īpašībām dopētu fosfātu materiālos.

Tamara Gavrilović, Jovana Periša, Jelena Papan, Katarina Vuković, Krišjānis Šmits, Dragana J. Jovanović, Miroslav D. Dramićanin

Ar retzemju elementiem dopēti LaPO4 pārstāv nozīmīgu luminiscējošu nanomateriālu klasi, kura pierādījusies kā labi piemērota efektīvu luminiscējošo un augšup pārveidotās luminiscences fosforu izgatavošanā. Tika analizēta izmēru ietekme uz emisijas intensitāti un dzišanu, struktūru un morfoloģiju, izmantojot nemainīga stāvokļa un laikā izšķirto fotoluminiscences spektroskopiju, rentgenstaru difrakciju, skenējošo un transmisijas elektronu spektroskopiju un difūzās atstarošanas spektroskopiju. Tika atklāts, ka daļiņu izmēram ir liela ietekme uz to struktūru un luminiscences īpašībām. Īpaši jāmin tas, ka samazinoties daļiņu diametram, emisijas joslu platums palielinās struktūras nesakārtotības dēļ un ļoti maza izmēra daļiņās (2 nm) no defektu stāvokļiem parādās jaunas emisijas joslas. Džuda – Ofelta analīze parādīja, ka Eu3+ emisijas kvantu efektivitāti spēcīgi ietekmē daļiņas morfoloģija.

https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2017.12.002 Journal of Luminescence

Luminiscējošu GdVO4:Dy3+ un DyVO4 daļiņu sintēze, struktūra un spektroskopiskās īpašības

Izdota vienota publikācija, kurā piedalījušies zinātnieki no Serbijas, Latvijas, Itālijas, Polijas un Vjetnamas.

Dragana J. Jovanović, Andrea Chiappini, Lidia Zur , Tamara V. Gavrilović, Thi Ngoc Lam Tran, Alessandro Chiasera, Anna Lukowiak, Krišjānis Šmits, Miroslav D. Dramićanin, Maurizio Ferrari

Izmantojot četras sintētiskās metodes (high temperature solid-state, co precipitation, reverse micelle, colloidal) tika izgatavoti GdVO4:Dy3+ un DyVO4 paraugi, kuri satur daļiņas ar dažādu morfoloģiju un izmēriem. Izmantojot rentgenstaru difrakcijas, Ramana un fotoluminiscences spektroskopijas, skenējošo un transmisijas elektronu mikroskopijas un difūzās atstarošanas spektroskopijas metodes, tika analizēta izmēru ietekme uz struktūru, Ramana aktīvajām modām un fotoluminiscences emisijas intensitāti. Pateicoties spēcīgai emisijai tuvajā infrasarkanajā spektrālajā apgabalā, šīs luminiscējošās GdVO4:Dy3+ un DyVO4 daļiņas, ievietotas silīcija oksīda viļņvados, varētu rast potenciālu pielietojumu 1.3 µm fotoluminiscences uzlabošanai.

https://doi.org/10.1016/j.optmat.2017.12.046 Optical Materials

Visi rezultāti tika mutiski prezentēti Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūta semināra ietvaros.


Jaunumi par projektu

10.01.2018.

Mēs esam priecīgi paziņot, ka nesen projektā ir panākts ievērojams progress, un ir tikušas izstrādātas un optimizētas četras dažādas uz fosfātiem un vanadānu balstītas fosforu sagatavošanas metodes: augstas temperatūras, cietvielu, līdz-izgulsnēšanās, reversās micellas un koloidālās ķīmijas.
Tika iegūti paraugi ar dažādām morfoloģijām un izmēriem ar pietiekamu luminiscences intensitāti. Iekļaujot tos silīcija dioksīda viļņvados, daži no tiem varētu atrast potenciālu pielietojumu 1,3 μm fotoluminiscences uzlabošanā.

Darbs, kurā pētītas luminiscējošās lantāna nanodaļiņas, tika prezentēts starptautiskajā konferencē ‘’Spectral shaping for biomedical and energy applications’’, SHIFT 2017, 13.-17. Novembris, Tenerife, Spānija.

Publicēšanai tika pieņemts raksts ar detalizētu pētījumu par nanodaļiņu lieluma ietekmi uz dopēta lantāna un europija fosfāta strukturālajām un optiskajām īpašībām. Raksts ir atrodams tiešsaistē. doi.org/10.1016/j.jlumin.2017.12.002 Lepojamies arī ziņot, ka tika iesniegts kopīgs manuskripts no mūsu komandas un pētniekiem no Itālijas, Vjetnamas, Polijas un Serbijas, kuri pētīja fosforus, kuru pamatā ir vanadāta matrica, un pieņemts publicēšanai.
Mēs turpināsim savu darbu meklējot materiālus ar uzlabotām īpašībām un plašākiem praktiskajiem pielietojumiem.