Síntese do óxido de zinco dopado com íons de terras raras: impacto nas propriedades fotoluminescentes e fotocatalíticas.

Abstract

O óxido de zinco (ZnO) é um semicondutor do tipo n de grande interesse na ciência dos materiais devido às suas propriedades ópticas e eletrônicas, tornando-se promissor para aplicações em dispositivos optoeletrônicos, sensores e revestimentos funcionais. Suas emissões fotoluminescentes são promovidas por defeitos eletrônicos presentes em sua rede estrutural. Uma das estratégias para potencializar as propriedades ópticas deste material é dopagem com íons metálicos, em particular, os íons de terras raras (TR). Os íons TR apresentam uma capacidade de intensificar e modular diversas emissões de luz dentro da faixa do ultravioleta, visível e infravermelho. Dessa forma, sua utilização amplia áreas de aplicações como na fotônica, biofotônica, conversores de luz, sensores e fotocatalisadores conforme amplamente reportado na literatura. A escolha de elementos como Európio (Eu), Disprósio (Dy) e Túlio (Tm) se deve às suas transições eletrônicas características, que podem gerar emissões seletivas em diferentes regiões do espectro, possibilitando o ajuste fino das propriedades ópticas do ZnO para diferentes aplicações. Esta pesquisa propõe a síntese de ZnO puro e dopado com os íons citados, individualmente e em conjunto, por meio do método de coprecipitação, escolhido por sua simplicidade, baixo custo e pela capacidade de produzir partículas nanoestruturadas, cujo tamanho e morfologia influenciam diretamente as propriedades ópticas. As amostras foram caracterizadas pelas técnicas: difração de raios-X (DRX) para análise microestrutural; microscopia eletrônica de varredura (MEV) para observação morfológica; espectroscopia UV-Visível, para avaliação das atividades fotocatalíticas; e fotoluminescência (PL) para caracterização dos parâmetros da colorimétricos. A partir dos resultados obtidos, buscou-se investigar o efeito das dopagens com íons TR nas propriedades ópticas da matriz cerâmica do ZnO. A relevância deste estudo está na perspectiva de desenvolver novos materiais luminescentes aplicáveis em conversores de luz na região do visível e fotocatalisadores para remediação ambiental.

Zinc oxide (ZnO) is an n-type semiconductor of great interest in materials science due to its optical and electronic properties, making it promising for applications in optoelectronic devices, sensors, and functional coatings. Its photoluminescent emissions are promoted by electronic defects present in its structural lattice. One of the strategies to enhance the optical properties of this material is doping with metallic ions, particularly rare earth (RE) ions. RE ions have the ability to intensify and modulate various light emissions within the ultraviolet, visible, and infrared ranges. In this way, their use expands application areas such as photonics, biophotonics, light converters, sensors, and photocatalysts, as widely reported in the literature. The choice of elements such as Europium (Eu), Dysprosium (Dy), and Thulium (Tm) is due to their characteristic electronic transitions, which can generate selective emissions in different regions of the spectrum, enabling fine tuning of the optical properties of ZnO for various applications. This research proposes the synthesis of pure ZnO and ZnO doped with the mentioned ions, both individually and combined, through the co-precipitation method, chosen for its simplicity, low cost, and ability to produce nanostructured particles whose size and morphology directly influence the optical properties. The samples were characterized using the following techniques: X-ray diffraction (XRD) for microstructural analysis; scanning electron microscopy (SEM) for morphological observation; UV-Visible spectroscopy for photocatalytic activity evaluation; and photoluminescence (PL) for characterization of colorimetric parameters. From the results obtained, the aim is to investigate the effect of RE ion doping on the optical properties of the ZnO ceramic matrix. The relevance of this study lies in the prospect of developing new luminescent materials applicable in visible light converters and photocatalysts for environmental remediation.