Metal Oxide Mesostructures for Optical Applications

Abstract

Materjalide mikro- ja nanomõõtmes vormimine (shaping) on tehnoloogias väga aktuaalne teema. Soovitud kuju ja dimensionaalsuse abil saab materjalile anda uusi füüsikalisi omadusi ja avanevad uued võimalused materjalide funktsionaliseerimiseks, mis viib uudsete rakendusteni. Antud töös kasutatakse tuntud mitmekülgsete kõrgtehnoloogiliste rakendustega tsirkooniumoksiid (ZrO2) materjalidele mikrostruktuurse kuju andmiseks sool-geel meetodit, kus prekursori vedelfaasis tekkinud nanoosakesi (sool) on võimalik edasise töötluse käigus vormida (kokku kleepida) soovitud kujule (geel). Kasutatud sool-geel meetod võimaldab ka materjali homogeenset dopeerimist erinevate lisanditega, näiteks optiliselt aktiivsete haruldaste muldmetallide ioonidega, suurendades nii veelgi antud materjali rakendusvõimalusi. Samuti on antud meetodi eeliseks see, sünteesi läbiviimiseks ei ole tarvis ekstreemseid temperatuuri, rõhu ja keskkonnatingimusi. Samuti pole vaja sünteesi läbiviimiseks kallist aparatuuri. Käesoleva doktoritöö peamisteks eesmärkideks oli seatud edasi arendada sool-geel meetodi abil erineva struktuuri ja dimensionaalsusega ZrO2 materjalide valmistamist. Järgnevalt oli kavandatud saadud materjalide füüsikaliste omaduste ja struktuuri põhjalike uuringuid. Peamiselt keskendusime rakenduslikult olulistele aspektidele: a) uudne funktsionaalne morfoloogia, b) faasikoostis ja selle stabiilsus ning c) optilised ja luminestsentsi omadused. Töö käigus valmistati ja uuriti mitmes erinevas vormis ja erinevate lisanditega aktiveeritud ZrO2 materjale nagu pulbrid, rullid, fiibrid ja torud. Selgitati mitmeid aspekte kõrgete temperatuuride (>1000 °C) mõjust antud materjalide mikrostruktuurile ja haruldaste muldmetallide kiirgustsentrite iseärasusi seda tüüpi oksiidmaterjalides. Demonstreeriti mitmeid rakendusi: nanopulbrid kui järelhelenduvad nanomarkerid, fiibrid kui kvaasi ühedimensionaalsed mikroskoopilised valgusjuhid, mikrotorud kui mikromõõtmes termosensorid.In modern technology, micro- and nanoshaping of materials is a very topical trend. By obtaining certain shapes and dimensions, materials can obtain special physical properties, which open new opportunities for their functionalization and can lead to new prospective applications. In the present work, the sol-gel technique is used for micro-structuring of zirconium oxide (ZrO2) based materials, which are already known for their use in versatile high-technology applications. In this technique, nanoparticles called sol, which are formed in the liquid phase of a precursor substance, can be further treated (glued together) to form a desired shape called gel. The method also enables homogeneous doping of the material with various dopants like optically active rear-earth ions, which further broadens the range of its possible applications. Among the sol-gel technique advantages is that the material synthesis does not require any extreme temperature, pressure, or environmental conditions, nor any expensive equipment. The main goal of this PhD work was to further develop the sol-gel technique for preparation of ZrO2 materials with different structure and dimensionality. Further, the structure and physical properties of obtained materials were to be thoroughly studied. The main attention was paid to the following aspects of importance for practical applications: a) novel functional morphology, b) phase content and its stability, c) optical/luminescence properties. ZrO2 materials of different structure/morphology (as powders, fibers, rolls, and tubes) activated with various dopants have been prepared and studied in course of this work. Investigated were several aspects of the influence of high temperatures (>1000 °C) on the materials’ microstructure and the peculiarities of rare-earth emission centers in the type of oxide materials studied. Several possible applications have been demonstrated: nanopowders as afterglowing nanomarkers, fibers as 1D microscopic light guides, microtubes as micro-dimensional thermossensors.