Síntesis y caracterización de óxidos y fluoruros fotoluminiscentes con emisión en el visible y el infrarrojo cercano

Abstract

El desarrollo de materiales fotoluminiscentes con emisión en las regiones visible e infrarroja cercana (NIR) es de gran interés debido a sus potenciales aplicaciones en iluminación de estado sólido, sensores ópticos, detección de biomarcadores y bioimagen. En particular, las emisiones dentro de la primera ventana biológica (700–1000 nm) resultan especialmente relevantes por su mayor penetración en tejidos biológicos. Sin embargo, el desarrollo de materiales capaces de exhibir emisiones intensas y sintonizables en las regiones visible y NIR mediante métodos de síntesis simples y de bajo costo continúa siendo un desafío importante.

En este contexto, el objetivo de esta tesis fue sintetizar y optimizar materiales fotoluminiscentes basados en óxidos y fluoruros mediante estrategias de dopaje orientadas a intensificar y sintonizar las emisiones en las regiones visible y NIR. Para ello se estudiaron dos sistemas: ZnO:Ca codopado con Cr o modificado mediante la incorporación de Sb₂S₃, y NaBiF₄:Er³⁺/Yb³⁺ codopado con Mg²⁺ o Mn²⁺.

En la primera parte del trabajo se investigó el sistema ZnO:Ca, sintetizado mediante un método de coprecipitación química. Posteriormente, se implementaron dos estrategias para mejorar sus propiedades fotoluminiscentes: el codopaje con Cr en concentraciones de 4–17 % mol y la incorporación de Sb₂S₃ en concentraciones de 10–34 % en peso para formar compósitos ZnO:Ca/Sb₂S₃. Ambos sistemas exhibieron fotoluminiscencia simultánea en las regiones visible y NIR bajo excitación UV. El incremento en la concentración de Cr produjo un aumento significativo de la intensidad de la banda NIR comprendida entre 700 y 850 nm, obteniéndose la mayor emisión para la muestra con 17 % mol de Cr, con una banda centrada alrededor de 805 nm. Por otra parte, los compósitos ZnO:Ca/Sb₂S₃ incrementaron la emisión NIR conforme aumentó el contenido de Sb₂S₃, además de permitir sintonizar la emisión visible desde azul hasta naranja-rojo e incluso blanco frío. Los análisis realizados indicaron que los defectos estructurales, particularmente las vacancias de oxígeno presentes en los sistemas basados en ZnO:Ca, desempeñan un papel fundamental en las emisiones observadas.

En la segunda parte de la investigación se estudiaron fósforos NaBiF₄ dopados con Er³⁺/Yb³⁺ y codopados con Mg²⁺ o Mn²⁺, sintetizados mediante un método hidrotermal. Estos fósforos exhibieron emisiones violeta-azul y NIR bajo excitación UV. Además, la incorporación de Mg²⁺ o Mn²⁺ incrementó entre 3 y 4.1 veces la intensidad de la emisión NIR alrededor de 852 nm respecto al sistema sin codopaje. Asimismo, después del proceso de calcinación a 600 °C, uno de los fósforos exhibió emisiones por upconversion en las regiones verde y roja bajo excitación a 980 nm. Hasta donde se tiene conocimiento, la intensa emisión NIR alrededor de 852 nm observada en estos materiales no había sido reportada previamente para fósforos NaBiF₄:Er³⁺/Yb³⁺.

En conjunto, los resultados obtenidos demuestran que las estrategias de dopaje y el control de defectos estructurales constituyen herramientas efectivas para optimizar la respuesta fotoluminiscente de materiales basados en ZnO:Ca y NaBiF₄. Estos resultados aportan nuevas alternativas para el diseño de materiales fotoluminiscentes con emisiones ajustables mediante estrategias de modificación composicional simples y de bajo costo.