ABSTRAK
Penelitian ini melaporkan preparasi, karakterisasi, dan respons fotoluminesensi (PL) dan termoluminesensi (TL) dari fosfor Ba₃CdSi₂O₈ terdoping Tb 3+ . Analisis difraksi sinar-X mengonfirmasi konsistensi sampel Ba₃CdSi₂O₈ terdoping Tb 3+ dengan struktur kartu PDF 00-028-0128. Kurva pendaran TL dari material diperiksa pada berbagai konsentrasi dopan setelah penyinaran dengan sumber beta 90 Sr/ 90 Y. Di antara sampel, Ba₃CdSi₂O₈: 5% Tb 3+ menunjukkan intensitas TL tertinggi dibandingkan dengan konsentrasi lainnya. Metode dekonvolusi kurva pendaran digunakan untuk menentukan jumlah puncak, struktur perangkap, dan parameter kinetik dalam kurva pendaran TL, menghasilkan nilai figure of merit (FOM) sebesar 1,11. Spektrum PL memperlihatkan bahwa fosfor Ba₃Cd (SiO₄)₂ terdoping Tb 3+ sebanyak 2,0%, 3,0%, 4,0%, 5,0%, dan 6,0% mol menangkap energi eksitasi melalui transisi 4f-5d ion Tb 3+ dan memancarkan cahaya pada 417, 440, 492, 552, 589, dan 628 nm, yang bersesuaian dengan transisi 5D₃–7F₅, 5D₃–7F₄, 5D₄–7F₆, 5D₄–7F₅, 5D₄–7F₄, dan 5D₄–7F₃, berturut-turut.
1 Pendahuluan
Karena tingkat energinya yang kaya dan struktur listrik intrinsiknya, ion tanah jarang sering digunakan sebagai pusat bercahaya. Manfaat bahan bercahaya terdoping tanah jarang (RE) meliputi umur fluoresensi yang panjang, efisiensi kuantum yang tinggi, pita emisi yang sempit, suhu pendinginan yang rendah, dan stabilitas optik yang kuat. Oleh karena itu, bahan ini banyak digunakan dalam berbagai industri, termasuk deteksi biologis, tampilan informasi, sel surya, penyimpanan cahaya, induksi inframerah, dan perawatan penyakit [ 1 – 4 ]. Penggunaan silikat sebagai kisi inang dan ion RE sebagai dopan mengakui potensi aplikasinya dalam bidang optoelektronik, bioteknologi, dan kedokteran. Pendekatan saat ini untuk penggunaan bahan luminesensi dalam dosimeter radiasi melibatkan penyinaran bahan terlebih dahulu dengan foton berenergi tinggi dan kemudian memanaskan foton cahaya untuk membangkitkan sebagian energi eksitasi. Aplikasi ini sering kali bergantung pada bahan inang dengan celah energi lebar yang diaktifkan oleh ion RE [ 5 – 8 ].
Termoluminesensi (TL) adalah fenomena menarik yang telah menemukan beragam aplikasi dalam berbagai bidang ilmiah dan teknologi. TL adalah emisi cahaya yang diamati ketika bahan-bahan tertentu dipanaskan setelah terkena radiasi pengion. Fenomena ini telah terbukti menjadi alat yang berharga dalam berbagai disiplin ilmu. Studi TL dimulai pada awal abad ke-20, dan sejak itu, telah berkembang menjadi teknik yang kuat untuk tujuan penanggalan dan dosimetri radiasi. Proses termoluminesensi melibatkan penjebakan pembawa muatan (elektron dan lubang) dalam cacat atau pengotor dalam kisi kristal saat terkena radiasi pengion. Selanjutnya, pelepasan muatan yang terperangkap ini terjadi selama proses pemanasan, yang mengarah pada emisi cahaya. Prinsip dasar ini membentuk dasar teori TL. TL, dengan sejarahnya yang kaya dan beragam aplikasinya, terus menjadi alat penting dalam penelitian ilmiah dan kemajuan teknologi [ 9 – 11 ].
Dalam penelitian ini, kami mensintesis fosfor Ba3CdSi2O8 :Tb3 + (2–6 mol%) menggunakan teknik reaksi solid-state suhu tinggi. Analisis difraksi sinar-X (XRD) dilakukan pada fosfor yang disintesis untuk menilai struktur kristalnya. Analisis dekonvolusi kurva pendaran terkomputerisasi (CGCD) digunakan untuk mengidentifikasi pusat penangkapan dan emisi TL, serta untuk menentukan parameter kinetik. Nilai figure of merit (FOM) kemudian dihitung untuk aplikasi dosimetri potensial. Hasil fotoluminesensi (PL) menunjukkan bahwa fosfor tersebut merupakan kandidat yang menjanjikan untuk aplikasi dioda pemancar cahaya (LED), yang menandai perkembangan signifikan di bidang ini.
2 Bagian Eksperimen
2.1 Bahan
Digunakan sebagai bahan awal BaCO 3 , SiO 2 , Cd (CH 3 COO) 2 .2H 2 O, Tb 2 O 3 , dan (NH 4 ) 2 Ce(NO 3 ) 6 dibeli dari Sigma-Aldrich dan tidak dimurnikan lebih lanjut.
2.2 Sintesis Ba3CdSi2O8 : Tb + 3
BaCO3 , Cd (Cd( CH3COO ) 2.2H2O ) 2 , SiO2 , Tb2O3 , dan ( NH4 ) 2Ce ( NO3 ) 6 ditimbang dan dicampur dalam komposisi nominal 3BaCO3 + Cd(CH3COO ) 2.2H2SiO2 + dengan 2%–6% RE3 + ( RE3 + : Tb3 + ) dan digiling dalam mortar akik selama 20 menit. Sintesis dilakukan dalam dua tahap menggunakan tungku tabung horizontal. Pada tahap pertama , campuran dikalsinasi pada suhu 900°C selama 6 jam dan digiling lagi. Pada tahap kedua, oksida yang diperoleh disinter pada suhu 1200°C selama 6 jam.
2.3 Instrumentasi
Pengukuran pola serbuk XRD dilakukan menggunakan Difraktometer Serbuk Sinar-X (XRD) model BRUKER AXS D8 ADVANCE (CuKα = 1,54 Å). Selain itu, dalam penelitian yang dilakukan, diamati bahwa puncak-puncak tersebut tumpang tindih dengan nomor kartu PDF: 00-028-0128 Ba 3 Cd (SiO 4 ) dari bahan luminescent yang disintesis.
Sifat-sifat PL diperiksa dengan spektrofotometer fluoresensi (Agilent Cary Eclipse). Semua pengukuran PL dilakukan di atmosfer terbuka dan pada suhu ruangan.
Sifat morfologi senyawa Ba3CdSi2O8 terdoping Tb3 + dianalisis menggunakan ZEISS – Gemini SEM 300 di Laboratorium Pusat Universitas Gaziantep. Pembesaran berkisar dari 12× hingga 2.000.000×, dan tegangan percepatan berkisar dari 5 hingga 30 kV. Resolusinya adalah 0,6 nm pada 30 kV. Pembesarannya berkisar dari 12× hingga 2.000.000×, dan tegangan percepatannya adalah 30 kV. Resolusinya adalah 0,6 nm pada 30 kV.
Selama percobaan TL, fosfor mengalami penyinaran pada suhu kamar menggunakan sumber beta yang berasal dari emitor terkalibrasi, khususnya 90 Sr- 90 Y. Strontium-90, bersama dengan produk turunannya ( 90 Sr β-8,73 × 10 −14 J bersama dengan 90 Y β-3,63 × 10 −13 J), memancarkan partikel beta berenergi tinggi pada laju 0,038 Gy/s. Sampel yang disinari selanjutnya dianalisis menggunakan sistem pembaca Harshaw QS 3500 TLD. Eksperimen selanjutnya dilakukan dalam atmosfer nitrogen (N 2 ). Sistem ini, yang dicirikan oleh pengoperasian manualnya, terhubung ke antarmuka komputer, yang memfasilitasi interaksi dengan operator tangan. Filter kaca bening telah ditempatkan di pembaca antara tabung pengganda foto dan planchet untuk menghilangkan cahaya inframerah yang dipancarkan dari sampel plus pembaca. Perangkat ini berisi laci perubahan sampel untuk mengeluarkan dan memasukkan elemen TLD. Sistem pembaca TLD beroperasi bersama dengan program yang berjalan pada Win REMS untuk memproses dan menginterpretasikan data yang diperoleh.
3 Hasil dan Pembahasan
3.1 Karakterisasi
Struktur kristalografi Ba3CdSi2O8 : Tb3 + dikarakterisasi dengan menggunakan teknik XRD konvensional. Pola XRD serbuk fosfor Ba3CdSi2O8 : x Tb3 + ( x bervariasi dari 0,02 hingga 0,06) disajikan dalam Gambar 1. Puncak – puncak tersebut ditemukan sesuai dengan nomor kartu bahan induk yang disintesis (PDF: 00-028-0128 Ba₃Cd(SiO₄)₂) . Sampel menunjukkan struktur kristal dengan puncak-puncak yang jelas dan tajam , yang mengonfirmasi keberhasilan sintesis.
Puncak difraksi yang paling intens dan tajam digunakan untuk menentukan ukuran kristal dengan menggunakan rumus Scherrer, dengan asumsi bahwa partikel-partikel tersebut bebas tegangan.
Di sini, D merupakan ukuran partikel rata-rata kristalit, λ merupakan panjang gelombang radiasi insiden, θ merupakan sudut Bragg, dan β merupakan lebar penuh pada setengah maksimum (dalam radian) yang dihasilkan dari kristalisasi. Ukuran kristal rata-rata yang ditentukan adalah sekitar 80 nm.
Spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FT-IR) digunakan sebagai teknik karakterisasi tambahan. Spektrum FT-IR dari fosfor Ba3CdSi2O8 terdoping Tb3 + diberikan dalam Gambar 2. Spektrum FT-IR yang diberikan menggambarkan transmitansi (%T) Ba₃CdSi₂O₈ terdoping Tb untuk berbagai konsentrasi Tb. Pita serapan kuat di daerah 1000–1200 cm − 1 biasanya berhubungan dengan vibrasi peregangan Si-O-Si atau Si-O. Kehadiran puncak-puncak ini menunjukkan struktur silikat dalam Ba₃CdSi₂O₈. Sedikit pergeseran atau perubahan intensitas dengan meningkatnya doping Tb dapat menunjukkan modifikasi dalam lingkungan ikatan lokal karena penggabungan ion Tb, yang mungkin menggantikan Ba atau memengaruhi struktur kristal. Puncak dalam rentang 500–800 cm −1 sering dikaitkan dengan getaran tekukan atau goyangan ikatan Si-O atau getaran kisi struktur Ba₃CdSi₂O₈. Perubahan di wilayah ini dapat mencerminkan distorsi struktural atau efek medan kristal yang disebabkan oleh doping Tb. Tidak adanya puncak tambahan menunjukkan bahwa doping Tb tidak menciptakan pengotoran struktural utama atau fase sekunder dalam material. Jika fitur yang luas dan lemah diamati di wilayah ini, itu mungkin menunjukkan getaran peregangan OH, kemungkinan karena kelembapan atau air yang diserap permukaan. Doping Tb memodifikasi matriks Ba₃CdSi₂O₈ tanpa mengubah kerangka silikatnya. Perubahan dalam intensitas transmitansi dan posisi puncak konsisten dengan penyesuaian struktural karena penggabungan Tb. Perubahan ini juga dapat memengaruhi sifat optik dan luminesensi material.
3.2 Analisis SEM
Morfologi permukaan Ba3CdSi2O8 : Tb3 + yang diteliti dengan analisis citra SEM diberikan pada Gambar 3. Citra SEM menunjukkan susunan partikel yang rapat dengan campuran aglomerat halus dan besar . Permukaannya tampak kasar, yang merupakan ciri khas fosfor yang disintesis melalui rute padat atau suhu tinggi. Teksturnya dapat memengaruhi sifat pendaran cahaya karena efek hamburan.
3.3 Studi PL
Dalam penelitian ini, Ba 3 CdSi 2 O 8 didoping dengan Tb 3+ pada lima konsentrasi berbeda (0,02, 0,03, 0,04, 0,05, dan 0,06 mol%) untuk menyelidiki pengaruh konsentrasi Tb 3+ terhadap sifat PL dan TL dari senyawa inang, Ba 3 CdSi 2 O 8 .
Untuk menyelidiki rasio doping optimum ion Tb dan pengaruh rasio doping pada intensitas PL Ba 3 Cd(SiO 4 ) 2 , pengukuran PL telah dilakukan. Gambar 4 menunjukkan spektrum eksitasi dan emisi PL dari fosfor Ba 3 Cd(SiO 4 ) 2 yang didoping ion Tb 3+ sebanyak 2,0, 3,0, 4,0, 5,0, dan 6,0 mol% . Pada Gambar 4 , spektrum eksitasi fosfor menunjukkan pita lebar dalam kisaran 200–300 nm di bawah emisi 552 nm. Ion Tb 3+ terutama menangkap energi eksitasi dan pita eksitasi lebar yang diamati dengan maksimum pada ~250 nm berasal dari transisi 4f-5d ion Tb 3+ [ 12 , 13 ]. Pita eksitasi fosfor pada ~250 nm menunjukkan bahwa fosfor ini adalah kandidat yang sangat cocok untuk desain fosfor yang dieksitasi oleh dioda laser biru atau UV/dekat-UV.
Spektrum emisi yang sesuai di bawah eksitasi 250-nm ditunjukkan pada Gambar 4. Semua fosfor memiliki spektrum emisi PL khas ion Tb 3+ . Spektrum emisi dari fosfor Ba 3 Cd(SiO 4 ) 2 yang didoping ion Tb 3+ sebanyak 2,0, 3,0, 4,0, 5,0, dan 6,0 mol% menunjukkan transisi radiatif ion Tb 3+ dan terdiri dari serangkaian garis tajam yang terkait dengan transisi intra-konfigurasi 4F ion Tb 3+ . Pita emisi yang memuncak pada 417, 440, 492, 552, 589, dan 628 nm masing-masing berhubungan dengan transisi 5 D 3 – 7 F 5 , 5 D 3 – 7 F 4 , 5 D 4 – 7 F 6 , 5 D 4 – 7 F 5 , 5 D 4 – 7 F 4 , dan 5 D 4 – 7 F 3 [ 14 – 18 ] . Spektrum emisi fosfor terdiri dari daerah emisi biru , hijau , kuning , dan merah . Puncak emisi paling intens pada 552 nm berhubungan dengan transisi 5 D 4 → 7 F 5 yang dikaitkan dengan transisi dipol magnetik ion Tb 3+ dengan Δ J = 1 [ 19 ]. Di wilayah biru, puncak emisi pada 417 dan 440 nm masing-masing merupakan transisi 5 D 3 – 7 F 5 dan 5 D 3 – 7 F 4 ion Tb 3+ . Namun, transisi 5 D 3 – 7 F j lainnya tidak teramati. Seperti diketahui, perbedaan antara tingkat energi 5 D 3 dan 5 D 4 ion Tb 3+ dan perbedaan antara tingkat energi 7 F 0 dan 7 F 6 kira-kira serupa. Karena alasan ini, beberapa ion yang tereksitasi pada tingkat 5 D 3 dapat berpindah ke tingkat 5 D 4tingkat melalui relaksasi silang. Karena relaksasi silang ini, jumlah ion tereksitasi pada tingkat 5 D 3 berkurang, sementara jumlah ion tereksitasi pada tingkat 5 D 4 bertambah. Oleh karena itu, sementara jumlah transisi 5 D 3 – 7 F j dan intensitas emisi berkurang, jumlah transisi 5 D 4 – 7 F j dan intensitas emisinya bertambah. Selain itu, semua transisi 5 D 4 – 7 F j dapat diperoleh, sementara transisi 5 D 3 – 7 F j lainnya tidak dapat diamati karena transisi melalui relaksasi silang [ 14 ]. Seperti yang dapat dilihat dari spektrum emisi pada Gambar 4 , kristal inang Ba 3 Cd(SiO 4 ) 2 sangat cocok untuk memperoleh semua transisi 5 D 4 – 7 F j dan menggeser emisi terutama ke daerah hijau dan merah. Ketika efek rasio doping ion Tb 3+ pada intensitas emisi diteliti, diamati bahwa intensitas emisi meningkat seiring rasio doping meningkat hingga 5 mol%, dan setelah rasio ini, intensitasnya menurun. Oleh karena itu, rasio doping ion Tb 3+ optimum untuk kristal induk Ba 3 Cd(SiO 4 ) 2 adalah 5 mol%.
Lebih jauh , koordinat warna pada diagram kromatisitas Komisi Internasional d’Eclairage (CIE) 1931 standar (Gambar 5 ) dipelajari untuk memberi label warna yang dipancarkan dari fosfor Ba3CdSi2O8 terdoping ion (2–6 mol%), Tb3 + dan nilai koordinat kromatisitas ( x , y ) untuk fosfor Ba3CdSi2O8 yang disiapkan dinilai dari data PL. Gambar tersebut menunjukkan diagram kromatisitas CIE dengan koordinat kromatisitas (CIE X, CIE Y ) yang diplot untuk Ba₃CdSi₂O₈ terdoping Tb . Setiap koordinat sesuai dengan konsentrasi doping Tb yang berbeda. Saat konsentrasi Tb meningkat, koordinat kromatisitas bergeser pada diagram CIE. Untuk konsentrasi rendah (misalnya, 0,02, 0,03), koordinat lebih dekat ke wilayah cyan-hijau. Pada konsentrasi yang lebih tinggi (misalnya, 0,05, 0,06), titik-titik bergerak ke arah wilayah kuning kehijauan. Pergeseran koordinat kromatisitas menunjukkan perubahan pada warna dominan yang dipancarkan dengan konsentrasi Tb. Hal ini menunjukkan bahwa doping Tb mengubah tingkat energi yang bertanggung jawab atas pendaran cahaya, kemungkinan karena perubahan dalam transisi emisi Tb 3+ . Pemilihan konsentrasi terbium (Tb) yang optimal untuk emisi warna yang diinginkan sangat penting untuk aplikasi dalam teknologi tampilan, LED, dan perangkat pendaran cahaya lainnya. Penyetelan konsentrasi Tb yang tepat ini dapat secara signifikan meningkatkan kinerja dan efisiensi sistem ini dengan mencapai karakteristik spektral yang diperlukan dan meningkatkan akurasi dan kecerahan warna.
3.4 Studi TL
Perilaku dosis-respons (Ba 3 CdSi 2 O 8 :Tb 3+ ) untuk dosis yang berbeda juga diperiksa. Tujuan percobaan ini adalah untuk memeriksa dampak ketergantungan dosis pada posisi puncak. Untuk melakukan ini, sampel diekspos ke radiasi sinar-β pada dosis antara ≈2,28 Gy dan ≈1,36 kGy. Bahan bubuk (15 mg) diradiasi pada suhu kamar di setiap percobaan, dan hasilnya langsung dibacakan. Pilihan bentuk kurva pendar Ba 3 CdSi 2 O 8 :Tb 3+ pada berbagai tingkat dosis ditampilkan dalam Gambar 6. Secara keseluruhan, hasil percobaan menunjukkan bahwa suhu tidak berubah secara signifikan di lokasi suhu puncak.
Gambar 7 menunjukkan area kurva pendaran TL yang dinormalkan dari intensitas fosfor, yang direkam dari berbagai jumlah sampel bubuk Ba3CdSi2O8 yang didoping Tb3 + . Dapat dilihat bahwa area puncak pendaran TL meningkat dengan peningkatan konsentrasi Tb3 + hingga 0,05 mol%. Akan tetapi, seperti dapat dilihat, intensitas menurun dengan peningkatan konsentrasi karena proses pendinginan, yang menyebabkan penurunan intensitas pendaran.
Untuk membentuk opini tentang jumlah puncak pendar dan orde kinetik ( b ) dari semua puncak pendar individu dalam struktur kurva pendar Ba 3 CdSi 2 O 8 :Tb 3+ , metode dosis aditif digunakan dalam penelitian saat ini. Sampel diiradiasi pada beberapa dosis antara ≈2,28 dan ≈1,36 kGy, dan beberapa kurva pendar yang dipilih setelah tingkat dosis variabel dapat dilihat pada Gambar 6 . Hasil percobaan dosis aditif juga digunakan untuk menghitung parameter penangkapan.
Dalam penelitian ini, metode CGCD digunakan untuk menilai parameter penangkapan puncak dosimeter utama Ba3CdSi2O8 terdoping Tb3 + ( lihat Gambar 8 ). Metode CGCD telah menjadi metode pilihan dalam menentukan parameter kinetik dari kurva pendaran material TL. Oleh karena itu, parameter kinetik seperti jumlah puncak pendaran, energi aktivasi ( Ea ) , dan orde kinetik ( b ) untuk puncak dosimetrik Ba3CdSi2O8 : Tb3 + dievaluasi [ 20 , 21 ] .
4 Kesimpulan
Makalah ini menguraikan penyelidikan awal tentang persiapan, karakterisasi, dan respons PL dan TL dari fosfor Ba3CdSi2O8 terdoping Tb3 + untuk digunakan pada aplikasi LED dan dosimetrik. Dalam hal hasil eksperimen, diperoleh kesimpulan berikut :
Ba3CdSi2O8 didoping dengan Tb3 + pada lima konsentrasi berbeda yaitu 0,02, 0,03, 0,04, 0,05, dan 0,06,5 mol%. Luas kurva pendaran TL intensitas fosfor yang dinormalisasi menunjukkan bahwa luas puncak pendaran TL meningkat seiring dengan peningkatan konsentrasi Tb3 + hingga 0,05 mol % . Disimpulkan bahwa konsentrasi doping optimum adalah 0,05 mol%.
Metode CGCD digunakan untuk menentukan parameter kinetik: orde kinetika ( b ), energi aktivasi ( E a ), dan faktor frekuensi ( s ). Kesesuaian terbaik diperoleh dengan menggunakan tiga puncak pijar untuk Ba 3 CdSi 2 O 8 terdoping Tb 3+ 5% di mana FOM = 1,11. Studi TL mengungkapkan bahwa fosfor mungkin merupakan kandidat potensial sebagai bahan dosimetri untuk pengukuran radiasi.
Studi PL menunjukkan bahwa 2,0, 3,0, 4,0, 5,0, dan 6,0 mol% Tb 3+ ion–doped Ba 3 Cd(SiO 4 ) 2 fosfor menangkap energi eksitasi melalui transisi 4f-5d ion Tb 3+ . Oleh karena itu, fosfor Ba 3 Cd(SiO 4 ) 2 yang didoping dengan ion Tb 3+ dapat secara efektif dieksitasi dengan dioda laser UV, near-UV, dan biru. Menurut spektrum emisi, fosfor Ba 3 Cd(SiO 4 ) 2 yang didoping ion Tb 3+ memiliki daerah emisi biru, hijau, kuning, dan merah. Karena alasan ini, fosfor Ba 3 Cd(SiO 4 ) 2 yang didoping ion Tb 3+ merupakan material yang sangat cocok untuk aplikasi optoelektronik daerah hijau yang terutama dieksitasi oleh dioda laser UV, near-UV, dan biru.
Tinggalkan Balasan