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Tipo de Documento: Tese
Título: Análise das propriedades eletrônicas e ópticas do YVO4:Eu3+ e do YVO4:Eu2+ a partir de cálculos de primeiros princípios
Autor(es): Carvalho, Felipe Oliveira de
Data do documento: 23-Fev-2024
Orientador: LaLic, Milan
Resumo: O estudo apresentado nessa tese explorou as propriedades estruturais, eletrônicas e ópticas do composto YVO4:Eu3+, famoso fósforo vermelho, bem como as modificações dessas propriedades sob mudança do estado de oxidação do Eu3+. Segundo a experiência, o último cenário se configura quando o YVO4:Eu3+ é submetido à radiação gamma, provocando a remoção de elétrons do material e facilitando sua subsequente captura pelos íons Eu3+. Essa situação foi simulada adicionando um elétron nas proximidades do Eu3+ e compensando sua carga pela carga positiva homogeneamente espalhada pelo interior do material. O estudo foi realizado utilizando os mais modernos métodos computacionais baseados na teoria do funcional da densidade. Como ponto de partida, foram calculadas as propriedades do composto YVO4 puro e comparadas com cálculos anteriores. Simulação dos efeitos de troca e correlação (XC) pelo potencial “Modified Becke Johnson” (mBJ), resultou no valor do bandgap de 3,7 eV, muito próximo ao valor experimental de 3,8 eV. O composto YVO4:Eu3+ foi simulado computacionalmente a partir da super-célula do YVO4 puro (48 átomos), em qual um íon de Y3+ foi substituído por um íon de Eu3+, gerando a matriz cristalina contendo 2% das impurezas. Os efeitos XC foram simulados pelo potencial mBJ. Para o íon de Eu foi levada em conta a interação spin-órbita (SO), enquanto os altamente correlacionados elétrons na subcamada 4f foram tratados em termos de correção de Hubbard U (abordagem mBJ+SO+U). Diferentes valores de U foram testados, com objetivo de calcular a estrutura eletrônica que reproduz o espectro de absorção óptica (OA) do YVO4:Eu3+ produzido experimentalmente. O valor U = 2,5 eV atendeu esse critério, reproduzindo todas as características principais de OA experimental, bem como a rica estrutura de picos relacionada a absorção de Eu3+. Todos eles foram interpretados em termos da estrutura eletrônica calculada. O espectro AO é altamente anisotrópico, com absorção predominante da luz polarizada paralelamente ao eixo tetragonal c. Ao introduzir um elétron adicional na super-célula do YVO4:Eu3+, constatou-se que o Eu3+ captura uma parte significativa da carga dele (0,3e), sem, no entanto, poder confirmar alteração completa do seu estado de oxidação para 2+, como sugerido pela experiência. Contudo, a configuração eletrônica do Eu sofre mudanças notáveis, com os estados 4f ocupados aumentando sua energia e aproximando-se da banda de condução. Essa modificação altera significantemente absorção óptica do Eu, gerada pelas transições 4f-5d, em contraste com as transições 4f-4f no caso do YVO4:Eu3+ sem carga adicional. Esse fato explica a mudança drástica do espectro de emissão do YVO4:Eu3+ irradiado por raios gamma, observado experimentalmente. Finalmente, a mudança parcial do estado de oxidação do Eu foi confirmada pelo cálculo da borda de absorção L do Eu, cujos resultados mostram um deslocamento da borda de YVO4:Eu3+ irradiado para mais baixas energias em comparação com YVO4:Eu3+.
Abstract: The study presented in this thesis explored the structural, electronic, and optical properties of the YVO4:Eu3+ compound, a well-known red phosphor, as well as the modifications of these properties under changes in the oxidation state of Eu3+. According to the experiment, the latter occurs when YVO4:Eu3+ is exposed to gamma radiation, which removes electrons from some atoms in the material, making them available for capture by Eu3+ ions. This situation was simulated by adding an electron in the vicinity of Eu3+ and compensating its charge with the positive charge uniformly spread throughout the material’s interior. The study was conducted using state-of-the-art computational methods based on density functional theory. As a starting point, the properties of pure YVO4 were calculated and compared with previous calculations. Simulating exchange and correlation (XC) effects using the "Modified Becke Johnson" (mBJ) potential resulted in a bandgap value of 3.7 eV, very close to the experimental value of 3.8 eV. The YVO4:Eu3+ compound was computationally simulated by constructing the pure YVO4 supercell (48 atoms), where a Y3+ ion was replaced by an Eu3+ ion, generating a crystal matrix containing 2% of impurities. XC effects were simulated using the mBJ potential. For the Eu ion, spin-orbit (SO) interaction was taken into account, while the highly correlated electrons in the 4f subshell were treated with a Hubbard U correction (mBJ+SO+U approach). Different U values were tested to calculate the electronic structure in order to reproduce the experimentally recorded optical absorption (OA) spectrum of YVO4:Eu3+. The value U = 2.5 eV met this criterion, reproducing all the main features of the experimental OA as well as the rich peak structure related to Eu3+ absorption. All of these features were interpreted in terms of the calculated electronic structure. The OA spectrum is found to be highly anisotropic, with predominant absorption of light polarized parallel to the tetragonal c-axis. The introduction of an additional electron into the YVO4:Eu3+ supercell revealed that Eu3+ captures a significant part of its charge (0.3e), without, however, confirming a complete reduction of its oxidation state to 2+, as suggested by the experiment. Nevertheless, the Eu electronic configuration undergoes noticeable changes, with occupied 4f states increasing in energy and approaching the conduction band. This modification significantly alters the optical absorption of Eu, generated by 4f-5d transitions, in contrast to 4f-4f transitions in the case of charge-free YVO4:Eu3+. This fact explains the drastic change in the emission spectrum of gamma-irradiated YVO4:Eu3+, as observed experimentally. Finally, the partial change in the oxidation state of Eu was confirmed by calculating the Eu L-edge absorption, with results showing a shift of the irradiated YVO4:Eu3+ absorption edge to lower energies compared to YVO4:Eu3+.
Palavras-chave: Fósforo vermelho
Estrutura eletrônica
Absorção óptica
Cálculos DF
Red phosphorus
Electronic structure
Optical absorption
DFT calculations
área CNPQ: CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
Agência de fomento: Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES
Idioma: por
Sigla da Instituição: Universidade Federal de Sergipe (UFS)
Programa de Pós-graduação: Pós-Graduação em Física
Citação: CARVALHO, Felipe Oliveira de. Análise das propriedades eletrônicas e ópticas do YVO4:Eu3+ e do YVO4:Eu2+ a partir de cálculos de primeiros princípios. 2024. 77 f. Tese (Doutorado em Física) - Universidade Federal de Sergipe, São Cristóvão, 2024.
URI: https://ri.ufs.br/jspui/handle/riufs/20014
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