Investigation and analysis of luminescent properties of polymer composites with praseodymium activated nanocrystals

Anna Maria Jusza

Abstract

This thesis is focused on luminescent properties in the visible (blue-green and red) spectral range of composite materials based on polymer matrices with embedded praseodymium doped nanocrystals. Scope of the work covered manufacturing, structural characterization and versatile investigation of luminescent properties of several nanocrystalline materials Y2O3, Al2O3, LaAlO3 and YF3) activated with Pr3+ ions as well as composite materials based on poly(methyl methacrylate) (PMMA) doped with these nanocrystals. The main scientific challenge of conducted research was to develop and fabricate PMMA-based active composite materials, which would combine mechanical advantages of polymer materials and excellent luminescent properties of praseodymium activated crystals. The study covered measurements and analysis of excitation and emission spectra together with fluorescent dynamic profiles of excited states for both nanocrystalline samples differing in praseodymium concentration and polymer composites doped with nanocrystals with best luminescent properties. In particular, the influence of crystalline structure and phonon energies of nanocrystalline matrices on spectroscopic properties of praseodymium ions was analyzed. The phenomena responsible for depopulation of excited states (multiphonon relaxation and cross relaxation) together with excitation paths of visible emission in different nanocrystalline matrices were investigated and discussed. Energy levels positions of praseodymium ions and decay time constants of these levels in investigated materials were determined (for some nanomaterials for the first time). The origin of individual optical transitions was identified based on the set of spectral characteristics and fluorescence kinetics profiles. Special attention was given to comparison of luminescent properties of nanocrystals and developed composite materials (in the form of thin foils and bulk samples), which finally confirmed the correctness of formulated research hypothesis.
Diploma typeDoctor of Philosophy
Author Anna Maria Jusza (FEIT / MO)
Anna Maria Jusza,,
- The Institute of Microelectronics and Optoelectronics
Title in PolishBadanie i analiza właściwości luminescencyjnych kompozytów polimerowych z nanokryształami aktywowanymi jonami prazeodymu
Languagepl polski
Certifying UnitFaculty of Electronics and Information Technology (FEIT)
Disciplineelectronics / (technology domain) / (technological sciences)
Defense Date30-10-2018
End date27-11-2018
Supervisor Ryszard Piramidowicz (FEIT / MO)
Ryszard Piramidowicz,,
- The Institute of Microelectronics and Optoelectronics
Internal reviewers Kazimierz Jędrzejewski (FEIT / PE)
Kazimierz Jędrzejewski,,
- The Institute of Electronic Systems
External reviewers Joanna Pisarska - University of Silesia (UŚ)
Joanna Pisarska,,
-
Honoredyes
Pages168
Keywords in Polishprazeodym, luminescencja, nanokryształy, kompozyty polimerowe
Keywords in Englishpraseodymium, luminescence, nanocrystals, polymer composites
Abstract in PolishGłównym celem niniejszej rozprawy było zaproponowanie i zbadanie właściwości luminescencyjnych w zakresie widzialnym (niebiesko-zielonym i czerwonym) nowej klasy materiałów kompozytowych na bazie matryc polimerowych z wbudowanymi nanokryształami domieszkowanymi jonami prazeodymu. Zakres prac obejmował wytworzenie i charakteryzację strukturalną oraz wszechstronne zbadanie właściwości luminescencyjnych szeregu materiałów nanokrystalicznych (Y2O3, Al2O3, LaAlO3 oraz YF3) aktywowanych jonami Pr3+ oraz materiałów kompozytowych na bazie poli(metakrylanu metylu) (PMMA) domieszkowanych tymi nanokryształami. Głównym wyzwaniem naukowym prowadzonych badań było opracowanie i wytworzenie aktywnych materiałów kompozytowych na bazie PMMA, łączących zalety mechaniczne materiału polimerowego ze znakomitymi właściwościami luminescencyjnymi matryc krystalicznych aktywowanych jonami prazeodymu. Przeprowadzone badania obejmowały pomiary i analizę widm wzbudzeniowych i emisyjnych oraz badania dynamiki fluorescencji stanów wzbudzonych dla próbek nanokrystalicznych o różnej koncentracji prazeodymu i kompozytów polimerowych z domieszką nanokryształów o najlepszych właściwościach luminescencyjnych. W szczególności, przeanalizowano wpływ otoczenia krystalicznego i energii fononów matrycy nanokrystalicznej na właściwości spektroskopowe jonów prazeodymu, zbadano zjawiska odpowiedzialne za depopulację poziomów wzbudzonych (relaksację wielofononową i relaksację skrośną) oraz określono kanały wzbudzenia emisji w zakresie widzialnym w jonach prazeodymu w różnych matrycach nanokrystalicznych. Określono położenia poziomów energetycznych jonu prazeodymu w badanych materiałach i stałe czasowe zaników fluorescencji (dla części materiałów po raz pierwszy). Na podstawie kompletu charakterystyk spektralnych i analizy kinetyki luminescencji jednoznacznie zidentyfikowano naturę poszczególnych przejść optycznych, przypisując je do odpowiednich poziomów energetycznych. Szczególną uwagę poświęcono porównaniu właściwości luminescencyjnych nanokryształów i opracowanych materiałów kompozytowych (w postaci cienkich folii i objętościowej), potwierdzając słuszność sformułowanych hipotez badawczych.
Thesis file
Jusza.pdf 5.91 MB
Other files
mgr inż Anna Jusza.pdf 4.12 MB

Get link to the record

Back