Hva er betydningen av termoluminescens i kalsiumaluminat-fosforer?

Thermoluminescens (TL) i kalsiumaluminat (CaAl2O4) har lenge vært et tema for forskning, spesielt på grunn av dets potensial som et materiale for varige fosforer og dosimetri. TL, som beskriver utslipp av lys etter at et materiale har blitt eksponert for ioniserende stråling, er av stor interesse både i medisinsk dosimetri og i applikasjoner som involverer langvarig lagring av energi. Fosforene som inneholder europium (Eu2+) og andre sjeldne jordartsmetaller har vist seg å ha utmerkede egenskaper i denne forbindelse.

Studier av CaAl2O4 har også vist at ulike dopingsubstanser, som Nd3+, Dy3+, Sm3+, og Tm3+, kan gi forskjellige termoluminescenskurver og forsterke eller endre den ettergløden som oppstår etter eksponering for stråling. Dette gjør det mulig å tilpasse materialets egenskaper etter spesifikke behov, enten det gjelder langvarig etterglød for belysning eller stabilitet under ioniserende stråling for dosimetri. Flere studier har dokumentert hvordan disse dopede materialene reagerer på forskjellige temperaturer og strålingsbehandlinger, og deres applikasjoner i dosimetri har fått økt oppmerksomhet på grunn av deres evne til å gi stabile og pålitelige målinger under ulike forhold.

Undopet CaAl2O4, før det er gjennomgått en varmebehandling (annealing), har også vist seg å ha spesifikke egenskaper i forhold til TL-peakene sine, spesielt ved lavere temperaturer rundt 72–82°C. Når materialet er varmebehandlet, oppstår det to distinkte peak-områder, rundt 63 og 126°C, som kan endre materialets etterglødtid betydelig. Den beste responsen på etterglød er funnet når det er brukt høyere doser av stråling og spesifikke varmebehandlingsteknikker.

Forskningen har også indikert at CaAl2O4:Re3+ (der Re kan være Dy, Sm, Ce eller Tm) kan brukes i tilpasning av dosimetri for både medisinske applikasjoner og industrielle applikasjoner som krever strålingskontroll. Nara et al. (2021) har for eksempel rapportert om stabiliteten og påliteligheten til TL-peakene for CaAl2O4 dopet med Ce3+ og Dy3+, som har blitt funnet å være effektive for dosimetri. Dette gjør materialet egnet for applikasjoner som krever nøyaktige målinger over lengre tidsperioder, for eksempel i kvalitetssikring eller i nukleærmedisinske enheter.

Videre har det blitt fremhevet at en av hovedutfordringene i TL-dosimetri er å utvikle nye, mer følsomme fosforer for å håndtere høyere LET-stråling (Lineær energioverføring) som kan oppstå i behandlingen av kreft med protoner og karbonioner. Derfor er det et presserende behov for å utvikle fosforer med høyere følsomhet for å møte kravene i disse mer spesialiserte applikasjonene. Til tross for at CaAl2O4:Eu2+ er en kommersiell suksess på grunn av sin varige lysutslipp, er det fortsatt behov for ytterligere forbedringer av både lysstyrke og stabilitet for å utvide bruksområdene.

Når vi ser på fremtiden, er det klart at termoluminescens i kalsiumaluminat-fosforer vil fortsette å være et viktig forskningsområde med potensial for bredere anvendelser i både strålingsdosimetri og belysningsapplikasjoner. For å realisere dette potensialet er det nødvendig med mer grundig forskning på den kjemiske sammensetningen av disse fosforene, deres temperaturrespons og mulighetene for å utvikle enda mer følsomme og stabile fosforer for de neste generasjonene av dosimetri og belysningssystemer.

Hvordan forbedre kvantifisering av SiGe-legeringer og fotokonduktive ZnO nanostrukturer ved hjelp av MCs+-SIMS?

Epitaksiale filmer er tynne filmer med atomær struktur som følger substratenes orden. I tilfelle av en Si/Ge supergitterstruktur dyrket ved Molecular Beam Epitaxy (MBE), kan et komplekst minibåndsstruktur oppstå som følge av overlapping av elektronbølgefunksjoner i både real- og k-rommet. Dette fører til sterkere luminescens med raskere overgang. Strukturen i Si-lagene utsettes for biaksial spenning, mens Ge-lagene opplever biaksial kompresjon. Konduksjonsbåndet domineres av Si-båndkanten, mens valensbåndet domineres av Ge. Denne p-n heterostrukturen kan potensielt brukes som en infrarød emitter ved romtemperatur.

For å utføre direkte sammensetningsanalyse av en MBE-dyrket Si/Ge supergitterstruktur ble MCs+-SIMS-metoden (Molecular Cation Secondary Ion Mass Spectrometry) benyttet. I en spesifikk studie (Sharma et al. 2011) ble tykkelsen på hvert Si/Ge bilag beregnet til omtrent 10 nm. Ved bruk av en spesiell formel (Eq. 21.28) ble relativt følsomme referansesignaler for Ge beregnet fra variasjonen i forholdet IGeCs+/ISiCs+ (MCs+-SIMS-metoden) med cSi/cGe (EDX) for forskjellige ionpåvirkningsenergi. Dette ble gjort for å få en nøyaktig elektron densitetsprofil (ρe) som funksjon av tykkelsen (z) på supergitteret. Denne profilen ble deretter sammenlignet med data hentet fra X-ray reflektivitet, og resultatene viste at grensesnittposisjonene fra begge metodene samsvarte godt, selv om små forskjeller mellom de absolutte verdiene ble tilskrevet sputteringseffekter under SIMS-analysen.

En sammenligning av intensitetsforholdene (IGeCs+/ISiCs+) som funksjon av cGe/cSi i MCs+-SIMS og MCs+2-SIMS viste en mye bedre lineær korrelasjon i sistnevnte metode, som gir en mer presis kvantifisering av SiGe-legeringene på alle stoikiometriske nivåer.

Videre ble det funnet at heterostrukturer som ZnS/ZnO hadde forbedrede fotokonduktive egenskaper i forhold til rene ZnO nanovegger. Denne forbedringen ble forklart ved at elektronkutter og carrier-multiplikasjon skjer ved heterojunksjoner mellom ZnS og ZnO, noe som resulterer i høyere fotostrøm. MCs+-SIMS-metoden viste seg å være spesielt effektiv for å kvantifisere overflatekonsentrasjonen av Zn og O i disse heterostrukturene, selv i nærvær av matriseeffekter som ellers kunne forvride resultatene.

I studier av ZnS/ZnO heterostrukturer ble det også vist at luminescensresponsene var sterkt avhengige av graden av ZnS-fase på overflaten av ZnO. Heterostrukturer som hadde mindre ZnS-nanopartikler på toppen av ZnO nanovegger viste høyere luminescens, noe som ble tolket som et resultat av ladningsoverføring fra ZnS til ZnO. Dette fenomenet ble ytterligere bekreftet ved å bruke MCs+-SIMS til å bestemme intensitetsforholdet mellom ZnCs+ og OCs+, som ga en klar indikasjon på økt Zn-konsentrasjon på grunn av ZnS-dekorasjonen på ZnO-overflaten.

For både SiGe supergittere og ZnO-basert nanostrukturteknologi viser bruk av MCs+-SIMS en fremragende evne til å forbedre både nøyaktigheten og effektiviteten i materialanalyse, spesielt når det gjelder å kvantifisere sammensetningen og forstå overflatekjemien i komplekse heterostrukturer.

Hvordan Materialer Absorberer Lys: En Teknisk Utforskning

Materialer som absorberer lys har vært en nøkkelkomponent i utviklingen av teknologi på tvers av mange felt, fra optikk og fotovoltaikk til biomedisinske applikasjoner. Lysets interaksjon med ulike materialer varierer avhengig av deres kjemiske sammensetning, struktur og tilstedeværelsen av defekter. Dette kapitlet undersøker hvordan ulike typer materialer, inkludert de som inneholder oksider, fluorider, metallioner, og nanomaterialer, absorberer lys og hvilke mekanismer som ligger til grunn for disse prosessene.

Noen materialer som YPO4 (bandgap ~8.6 eV), NaAF4 (A = Y, Gd, Lu, bandgap ~8-10 eV) og YF3 (bandgap ~5.8 eV) absorberer lys i området 5-11 eV. Dette er typisk for materialer som har sterke kovalente bindinger og høy energibarriere for elektroner. Eksempler på organiske forbindelser som metan (CH4) og etylen (H2C = CH2) har også evnen til å absorbere lys i området 6–10 eV. Disse materialene spiller en viktig rolle i utviklingen av lysabsorberende komponenter som kan brukes til både energiutnyttelse og optisk kommunikasjon.

Materialer med defekter har en tendens til å absorbere lys med energi som er lavere enn materialets faktiske bandgap. For eksempel, NaCl og KCl med F-sentre kan absorbere lys og emitere lys i et bredt spekter. På samme måte kan ZnO og SnO2, som har interstitielle eller stoikiometriske defekter, vise lysabsorpsjon og utslipp på tvers av et bredt spekter. Dette fenomenet åpner muligheten for utvikling av optiske enheter som sensorer og lasere, hvor kontroll av defektnivåer er avgjørende for materialenes ytelse.

I tillegg finnes det materialer som danner metall-ligand eller vert- gjest komplekser, som for eksempel YVO4, CaMoO4 og UO2+2. Disse materialene kan absorbere lys i bølgelengder mellom 250–420 nm, avhengig av typen kompleks og det metalliske ionet som er involvert. For eksempel absorberer YVO4 lys i området 280-320 nm, mens CaMoO4 absorberer lys i området 250-270 nm. Organiske metallkomplekser som porfyrin-baserte forbindelser og hemoglobin kan absorbere lys i området 400–600 nm, hvor absorpsjonsbåndet avhenger av det sentrale metallionet og dets koordinasjon med porfyrinmolekylet.

Når det gjelder materialer dopet med d-blokkioner, som ZnO: Mn2+ eller Cr3+, kan de absorbere lys i det grønne til røde området, og absorpsjonsbåndene varierer avhengig av krystallfeltets geometriske arrangement. I disse materialene kan elektronoverganger mellom d-orbitalene føre til absorpsjon av lys ved bestemte bølgelengder. Dette fenomenet er viktig for utviklingen av fotoniske enheter som bruker spesifikke bølgelengder for ulike applikasjoner, som fargeforsterkning eller spektroskopiske sensorer.

Materialer dopet med f-blokkioner, som Ce3+, Eu3+ og Dy3+, har også interessante optiske egenskaper. Disse materialene kan absorbere lys fra UV til synlig og nær infrarød (NIR) region, avhengig av hvilken type lanthanoid-ion som er til stede. For eksempel, Ce3+ absorberer lys ved 258 og 280 nm på grunn av f-d overgang, mens Eu3+ har absorpsjonspeaks i både UV- og synlig regionen. F-blokkioner er derfor avgjørende i utviklingen av optiske komponenter som kan brukes i avanserte lasere og optiske sensorer.

Nanomaterialer, spesielt de som har lavere dimensjoner, som kvanteprikker (0D), nanorør (1D) og nanoflak (2D), har unike egenskaper relatert til lysabsorpsjon. Når dimensjonene til et materiale reduseres, kan bandgapet øke, og kvanteinnsperringseffekter kan føre til interessante optiske egenskaper. For eksempel viser PbSe kvanteprikker forskjellige energinivåer i absorpsjonsspekteret, og deres emisjon har et toppunkt som er litt lengre i bølgelengde enn bandgapet. I tillegg kan materialer som MoS2, som kan konverteres fra en 3D-struktur til en 2D-form, endre sine optiske egenskaper betydelig, og dermed åpne nye muligheter i elektronikk og optoelektronikk.

Samlet sett kan vi se at lysabsorpsjon i materialer er et komplekst fenomen som avhenger av mange faktorer, inkludert materialets kjemiske sammensetning, dens struktur og eventuelle defekter. Denne kunnskapen er avgjørende for utviklingen av nye materialer for fotonikk, energiutnyttelse, sensorteknologi og medisinsk diagnostikk.

Hvordan kvanteprikker (QDs) og karbonsystemer brukes til deteksjon av radioaktive ioner og metallioner

Metoder for deteksjon av radioaktive elementer og metallioner har fått stor oppmerksomhet på grunn av deres betydning for miljøovervåkning og helsesikkerhet. Quanteprikker (QDs), spesielt CdS, CdSe, og karbonbaserte QDs, har blitt fremhevet som lovende materialer for slike applikasjoner. Denne teknologien baserer seg på fenomener som energioverføring, ladningsoverføring og utveksling av overflateioner mellom QDs og fremmede ioner, noe som kan føre til endringer i luminescensintensiteten.

Når det gjelder deteksjonseffektivitet, er det viktig å karakterisere overflaten av QDs, da dette kan endre effektiviteten til deteksjonen. Vi har utført flere eksperimenter ved å variere antallet ligander på overflaten, og funnet at ligandkoncentrasjonen spiller en viktig rolle i bindingen og dermed påvirker deteksjonseffektiviteten. For eksempel viste vår forskning at økning av ligandkoncentrasjonen kan endre hvordan QDs responderer på tilsetning av uran. Det ble også vist at dette ikke bare gjelder skjelltykkelse, men at ligandkoncentrasjon er en viktig faktor i deteksjonsprosessen.

Videre har Tam et al. (2018) brukt CdS QDs i scintillerende polymerer for deteksjon av stråling. I deres arbeid ble CdS QDs kombinert med 2,5-difenyloksazol (PPO) i en polyvinyl toluen (PVT) matriks. En tretrinns energioverføringsmekanisme ble observert, hvor energi ble overført fra PVT-polymeren til PPO og videre til CdS QDs under UV-ekspitasjon. Dette resulterte i en økt scintillasjonseffektivitet ved lav QDs-belastning, som ytterligere forbedret seg ved høyere QDs-konsentrasjon. Denne forbedringen ble spesielt uttalt ved deteksjon av høyenergetisk beta-stråling fra Sr/Y-90, som viste en deteksjonseffektivitet på omtrent 9%.

En av de store utfordringene med Cd-baserte QDs er deres toksisitet, som kan utgjøre en risiko både for miljøet og menneskers helse. Derfor har forskning på miljøvennlige alternativer fått stor oppmerksomhet. Karbonbaserte QDs, som er billigere, lettere å syntetisere og mindre giftige, har blitt ansett som et alternativ til de Cd-baserte QDs. Wang et al. (2015) har brukt karbonbaserte QDs, fremstilt ved mikroplasmametoden, for å detektere uran. Deres forskning viste at den blå emisjonen fra QDs ble kvannet ved tilsetning av uranylioner, og at dette kvanningsmønsteret var lineært i konsentrasjonsområdet 0–75 ppm. Denne interaksjonen mellom U(VI)-ionene og de aminogrupper og hydroksylgrupper som finnes på overflaten av karbon-QDs, gjør det mulig å påvise uran med høy sensitivitet. I en videre studie (Wang et al., 2018) ble også dopaminbaserte karbon-QDs brukt til deteksjon av uran, hvor en deteksjonsgrense på 2,3 ppm ble oppnådd.

For å oppnå en effektiv deteksjon av radioaktive elementer og metallioner, er det derfor viktig å forstå og kontrollere de forskjellige parametrene som påvirker QDs, som ligandkoncentration, skjelltykkelse, og overflateegenskaper. Den konstante utviklingen av nye materialer og metoder innen dette feltet gir et løfte om stadig mer presise og miljøvennlige deteksjonsteknologier.

Hvordan substituenter påvirker BLA og elektroniske egenskaper i triarylaminer

Den elektroniske strukturen til triarylaminer (TPA) er sterkt påvirket av substituenter på fenylringene, og dette kan føre til betydelige variasjoner i deres optiske og elektroniske egenskaper. Et viktig mål i studier av TPA-molekyler er å forstå hvordan forskjellige substituenter på fenylgruppene påvirker fenomenet kjent som bond length alternation (BLA), som i sin tur er nært knyttet til elektroniske overganger og ladningsoverføring i molekylene.

I flere analyserte strukturer har det vært utfordrende å identifisere et konsekvent mønster med hensyn til BLA, spesielt når det gjelder molekyler med forskjellige substituenter. For eksempel, i noen tilfeller, har akseptormolekylet som bærer fenylgruppen vist lavere BLA sammenlignet med de andre, spesielt når substituentene består av en aromatisk ring koblet gjennom utvidet π-konjugasjon. En annen observasjon er at når TPA har en fenylgruppe med en substituent, viser de gjenværende fenylgruppene høyere BLA-verdi, selv om disse ikke er substituerte. Dette kan tilskrives den utvidede konjugasjonen mellom fenylgruppen og substituenten.

Selv om ingen systematisk relasjon er etablert mellom BLA og grunnleggende ladningsoverføringskarakter, er variasjonene i δr-verdiene et tegn på hvordan substituentene påvirker de elektroniske egenskapene til molekylene. Dette antyder at substituentene kan ha en betydelig rolle i å stabilisere eller destabilisere den elektroniske tilstanden til TPA, noe som påvirker både de fysiske og kjemiske egenskapene til molekylene.

Mangel på tilgjengelige krystallstrukturer for mange strukturelt relaterte TPA-derivater gjør det vanskelig å trekke klare konklusjoner om struktur–egenskap-forhold basert på BLA. Mange forskningsgrupper har forsøkt å beregne BLA-verdiene ved hjelp av beregningsmetoder, men de beregnede verdiene har ofte vært overvurderte sammenlignet med data fra krystallstrukturer. Til tross for disse utfordringene har det vist seg at det er mulig å bruke beregnede δr-verdier til å rasjonalisere den grunnleggende ladningsoverføringskarakteren til disse molekylene.

En systematisk tilnærming, der antallet akseptorgrupper i TPA-molekyler økes for å oppnå dipolare, kvadrupolare og oktupolare konfigurasjoner, har vist at dipolare molekyler har høyere BLA sammenlignet med de kvadrupolare og oktupolare. Dette kan tyde på at dipolare molekyler har en sterkere quinonoid karakter i grunntilstanden enn deres multipolare motparter. Dette har viktige implikasjoner for forståelsen av ladningsoverføringsprosesser, spesielt når multipolare kromoforer gjennomgår en SB (symmetry breaking) prosess for å danne dipolare CT-stater (charge transfer states).

Videre viser eksperimentelle data at solventpolarisering har en betydelig innvirkning på fluorescenskarakteristikkene til disse molekylene. Dipolare TPA-derivater har vist en større Stokes-forskyvning sammenlignet med deres kvadrupolare og oktupolare motparter når de utsettes for forskjellige løsemiddelpolariteter. Dette antyder at den elektroniske ladningsoverføringen er mer markant i dipolare molekyler, og at styrken på ladningsoverføringen kan forsterkes av sterke elektronreduserende substituenter som NO2, CHO eller CN.

Når det gjelder de elektroniske egenskapene til TPA, kan de justeres ved hjelp av forskjellige elektronreduserende substituenter og antallet av disse substituentene. Dette er en viktig faktor når man designer molekyler for spesifikke optiske eller elektroniske applikasjoner. For eksempel kan tilstedeværelsen av en sterk elektronreduserende substituent som NO2 øke ladningsoverføringsevnen, og derfor endre molekylets optiske egenskaper, som fluorescens.

Det er også viktig å merke seg at løsemidlets polaritet kan ha en betydelig innvirkning på eksiterte tilstander i disse molekylene. I polare løsemidler vil den eksiterte tilstanden i stor grad være lokalisert på en av de SB-CT-statsene, mens i ikke-polare løsemidler kan molekylet forbli i en mer symmetrisk tilstand. Dette kan gi ulike spektroskopiske signaturer, og bevisstheten om disse effektene kan brukes til å overvåke dynamiske prosesser i biologiske og miljømessige prøver.