Application of Eu-Dy Doped Strontium Aluminate/Epoxy Composite Films

Abstract

One of the luminescent materials is the Strontium Aluminate. From the phase diagram, 5 different binary phases (Sr₄Al₂O₇, Sr₃Al₂O₆, SrAl₂O₄, SrAl₄O₇ ve SrAl₂O₁₉) can be obtained. Among them, SrAl₂O₄ has excellent chemical stability and long-lasting luminescence. Different additives have been used to have more luminescence. Among these additives, Eu and Dy are the most effective and rare earth elements. In this study, Eu-Dy doped strontium aluminate powders were prepared by sol-gel method. To fabricate SrAl₂O₄, proper chemical precursors (Strontium nitrate, Aluminum nitrate) were chosen and their solutions were prepared. 0.01 mol% of Dysprosium nitrate and Europium nitrate was added to the solution formed by mixing their solutions. Gelling powders at room temperature were dried in the oven at 180 ° C for 24 hours.  Dried powders were sintered at 1200°C for 4 hours. Thermal, morphological and crystallographic properties of SrAl₂O₄:Eu²⁺,Dy³⁺powders were characterized by using thermogravimetric/differential scanning calorimetry (DSC/TGA), X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) techniques, respectively. It was observed that the powders were of SrAl2O4 structure and no undesirable phase was present. SrAl₂O₄:Eu²⁺,Dy³⁺ powders and epoxy resin composites were prepared and applied on ceramic surfaces. It was observed that the applied composite showed long-lasting luminescence.

Keywords

• Luminescence,Strontium aluminate,Rare earth element

Eu-Dy Katkılı Stronsiyum Alüminat/Epoksi Kompozit Filmlerin Uygulanması

Abstract

Luminesans malzemelerden birisi de Stronsiyum Alüminattır. Faz diyagramından 5 farklı ikili faz (Sr₄Al₂O₇, Sr₃Al₂O₆, SrAl₂O₄, SrAl₄O₇ ve SrAl₂O₁₉) elde edilebilir. Bunlar arasında SrAl₂O₄ mükemmel kimyasal kararlılık ve uzun süreli ışıldamaya sahiptir. Daha fazla ışıldamaya sahip olması için farklı katkılar kullanılmıştır. Bu katkılar içerisinde en etkili olanı nadir toprak elementlerinden Eu ve Dy’dir.  Bu çalışmada Eu-Dy katkılı Stronsiyum alüminat tozları sol-jel yöntemiyle hazırlanmıştır. SrAl₂O₄oluşturabilmek için uygun başlangıç kimyasalları (Stronsiyum nitrat, Alüminyum nitrat) seçilerek, çözeltileri hazırlanmıştır. İki çözeltinin karıştırılmasıyla oluşan çözeltiye 0.01 mol% Disprozyum nitrat ve Evropyum nitrat eklenmiştir. Oda sıcaklığında jelleşen tozlar 180°C’de 24 saat etüvde bekletilmiştir.  Kurutulan tozlar 1200 °C’de 4 saat sinterlenmiştir. SrAl₂O₄:Eu²⁺,Dy³⁺tozların termal, morfolojik, kristaloğrafik özellikleri sırasıyla termo gravimetrik/diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC/TGA), taramalı elektron mikroskopu (SEM), X-ışını difraksiyonu (XRD) kullanılarak karakterize edilmiştir.  Tozların SrAl₂O₄ yapısında olduğu ve herhangi bir istenmeyen fazın bulunmadığı görülmüştür. DSC/TGA sonucu 800°C’den sonra herhangi bir ekzotermik veya endotermik reaksiyon ile bir ağırlık kaybı kaydedilmemiştir. Bu  SrAl₂O₄:Eu²⁺,Dy³⁺ tozların epoksi reçine ile kompoziti hazırlanmış ve seramik yüzeylere uygulanmıştır. Uygulanan kompozitin uzun süreli ışıldama gösterdiği görülmüştür.

Keywords

• Luminesans,Stronsiyum alüminat,nadir toprak elementleri

References

1. Kaya S. Y. and Karasu B., “Mavimsi-yeşil ve sarımsı-yeşil fosforesans pigmentlerin üretimi, duvar karosu vetroza uygulamalarında kullanımı”, Seramik Türkiye, pp 2-8, Ocak-Mart 2010
2. Kasap, S., Capper, P.,”Electronic and photonic materials”, Springer, New York, 2006
3. Albani J.R., “Principles and Applications of Fluorescence Spectroscopy”, Blackwell publishing, France, 2007
4. Karakaş C., Modifiye Edilmiş Sol-jel Prosesiyle Stronsiyum Alüminat Esaslı Fosforesans Malzeme Sentezi, Yüksek Lisans Tezi, İTÜ, İstanbul, Haziran 2010
5. Uluç A.V., Synthesis and characterization of phosphorescent strontium aluminate, Msc Thesis, Sabancı Üniversitesi, İstanbul, 2008
6. Sahu I.P., Bisen D.P., Brahme N., Tamrakar R.K., “Luminescence behavior of europium activated strontium aluminate phosphors by solid state reaction method”, Journal of Materials Science: Materials in Electronics, Volume 27, Issue 4, pp 3443–3455, April 2016
7. Minquan W., Wang D., Guanglie L., “Research on Fluorescence Spectra and Structure of Single-phase 4SrO·7Al2O3: Eu2+ Phosphor Prepared by solid-State Reaction Method”, Material Science and Engineering, B57, 18-23, 1998.
8. Yuesheng C., Ping Z. and Zhentai Z., “Eu2+ and Dy3+ Co-doped Sr3Al2O6 Red Long-Afterglow Phosphors With New Flower-Like” Morphology, Physica B., 403, 2008.

9. Misevicius M., Scit O., Grigoraviciute-Puroniene I., Degutis G., Bogdanoviciene I., Kareiva A., “Sol–gel synthesis and investigation of un-doped and Ce-doped strontium aluminates”, Ceramics International Volume 38, Issue 7, pp 5915-5924, September 2012
10. Chang C., Yuan Z., Mao D., “Eu2+ activated long persistent strontium aluminate nano scaled phosphor prepared by precipitation method”, Journal of Alloys and Compounds 415, pp 220–224., 2006
11. Rojas-Hernandez R. E., Rodriguez M. A., Rubio-Marcos F., Serrano A.and Fernandez J. F., “Designing nanostructured strontium aluminate particles with high luminescence properties”, Journal of Materials Chemsitry C, İssue 6,2015
12. Montes-Frausto J. B., Juarez-Moreno K., Can-Uc B., and Hirata-Flores G. A., “Synthesis and cytotoxic effects of SrAl2O4 persistent luminescence nanoparticles co-doped with Eu2+=Dy3+ ions”, OSA Optical Society of America OPTICAL MATERIALS EXPRESS, Vol. 6, No. 5, 1 May 2016
13. Song H., Chen D., Tang W., Peng Y., “Synthesis of SrAl2O4: Eu2+, Dy3+, Gd3+ Phosphor by Combustion Method and Its Phosphorescence Properties”, Elsevier, 29, 41-44, 2008.
14. Kim M.N., Jung K.Y., “Synthesis and Luminescence Enhancement of Strontium Aluminate Green Phosphor via Spray Pyrolysis”, Korean Chemical Engineering Research 49(5) October 2011
15. Arıkan M.O., Katı Hal Reaksiyonuyla Stronsiyum Aluminat Esaslı Fosforesans Malzeme Sentezi, Yüksek Lisans Tezi, İTÜ, İstanbul, 2010
16. Thompson N, An Approach to the Synthesis of Strontium Aluminate Based Nanophosphors, PhD Thesis, RMIT University, 2007
17. Luitel H.N. , Preparation and Properties of Long Persistent Sr4Al14O25 Phosphors Activated by Rare Earth Metal Ions, PhD Thesis, Saga University, March 2010
18. Zurba N. K., Persistent luminescence of SrAl2O4:Ce(III), Dy, Eu nanotubes, nanowires and core-shells for people with disabilities: nano-emergency, PhD Thesis, Universidade de Aveiro, 2010
19. EVCİN A., GÜNEŞ İ., UYGUNOĞLU T., ERSOY B., “Kireçtaşı Katkılı Epoksi Zemin Kaplamaların Yüzey Özellikleri”, International Conference on Natural Science and Engineering (ICNASE’16), pp 3443-3450, Kilis, March 19-20, 2016
20. Gökkaya İ. Tek Bindirmeli Örgülü Kompozit Malzemelerin Darbe Davranışının İncelenmesi, Pamukkale Üniversitesi, Yüksek Lisans Tezi, Denizli, (2015), pp 8-11
21. Evcin A. Polimer Malzemeler Ders Notları, Afyon Kocatepe Üniversitesi, (2016)
22. Demirel A., Karbon Elyaf Takviyeli Kompozit Malzemelerin Karakterizasyonu, Gazi Üniversitesi, Yüksek Lisans Tezi, Ankara (2007)
23. Augustson C. N.M., Epoxy Handbook, Nils Malmgren AB, Sweeden, 2004.
24. Saçak M. Polimer Teknolojisi, Gazi Kitabevi, Ankara (2005), pp. 219-228
25. Lee S.B., Lee H.J., Hong I. K, (2012) Diluent filler particle size effect for thermal stability of epoxy type resin, Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 18, 635-641