Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/SFSA-9DPTUE
Type: Tese de Doutorado
Title: Estudo de complexos envolvendo íons lantanídeos trivalentes e ligantes orgânicos, utilizando espectroscopias de aniquilação de pósitrons e óptica
Authors: Fernando Fulgencio Henriques
First Advisor: Jose Caetano Machado
First Co-advisor: Dario Windmoller
First Referee: Ercules Epaminondas de Souza Teotônio
Second Referee: Márcio Teixeira do Nascimento Varella
Third Referee: Arilza de Oliveira Porto
metadata.dc.contributor.referee4: Maria Helena de Araujo
Abstract: Neste trabalho foi investigada a formação de positrônio (Ps) nos complexos Sm(dpm)3, Eu(dpm)3, Gd(dpm)3, Tb(dpm)3, Ho(dpm)3, Er(dpm)3 e Yb(dpm)3 isolados, onde dpm corresponde ao íon 2,2,6,6-tetrametil-3-5-heptanodionato. Também foram estudadas misturas mecânicas e soluções sólidas binárias de fórmula geral Ln11-xLn2x(dpm)3, onde Ln1 corresponde aos íons Sm3+, Gd3+, Tb3+, Ho3+, Er3+, Yb3+, e Ln2 corresponde aos íons Eu3+, Gd3+ e Yb3+. Por meio de medidas de espectroscopia de vida média de pósitrons (EVMP), espectroscopia de alargamento da raia de aniquilação por efeito Doppler (EARAD), espectroscopia Mössbauer e espectroscopia de luminescência, investigou-se a formação de Ps nesses sistemas. O objetivo foi obter mais informações a respeito do processo de formação de Ps e de que maneira certas propriedades moleculares como por exemplo a energia da banda de transferência de carga ligante-metal (BTCLM) ou a tendência dos íons Ln3+ em capturar elétrons interferem no processo de formação de Ps. Medidas de EVMP mostraram por meio da intensidade relativa de formação de orto-positrônio, I3 (%), que os complexos Sm(dpm)3, Gd(dpm)3, Tb(dpm)3, Ho(dpm)3, Er(dpm)3 e Yb(dpm)3 formam significativas quantidades de Ps (I3 entre 35 e 45 %), enquanto o Eu(dpm)3 praticamente não forma Ps (I3 por volta de 2,5%). Foram realizadas medidas de EVMP, Mössbauer e luminescência no Eu(dpm)3 a 80 e 295 K, com o intuito de verificar hipóteses prévias que explicariam a baixa intensidade de formação de Ps observada na grande maioria dos complexos de Eu3+. Os resultados indicam que o modelo do spur (o mais utilizado para explicar a formação de Ps) e o modelo da deslocalização eletrônica intramolecular não estão de acordo com os dados obtidos experimentalmente. Apesar dos resultados confirmarem a influência da BTCLM de baixa energia no processo de formação de Ps, os dados obtidos a 80 K indicam haver outros mecanismos, ainda desconhecidos, envolvidos na ausência de formação de Ps no Eu(dpm)3. A elevada intensidade de formação de Ps no Yb(dpm)3 (I3 por volta de 45 %) foi bastante supreendente, uma vez que se esperava que complexos de Yb3+ apresentassem, assim como os complexos de Eu3+, baixo I3 (%). A análise dos potenciais de redução (E0) dos íons Ln3+, das energias das BTCLM dos complexos Ln(dpm)3 e das configurações eletrônicas dos íons Yb3+ e Eu3+ não foi suficiente para oferecer uma explicação consistente. Os motivos que levam o Yb(dpm)3 a apresentar alta intensidade de formação de Ps, semelhante à dos demais Ln(dpm)3, é algo ainda não muito bem compreendido e será objeto de estudos futuros. A análise de soluções sólidas e misturas mecânicas de fórmula geral Ln11-xEux(dpm)3 por EVMP e EARAD indicou que o I3 (%) decresce com o aumento da concentração de Eu3+, tanto nas misturas mecânicas quanto nas soluções sólidas, evidenciando que o íon Eu3+ se comporta como um inibidor da formação de Ps. Os sistemas Sm1-xEux(dpm)3, Gd1-xEux(dpm)3 e Tb1-xEux(dpm)3, formados a partir de complexos com a mesma estrutura cristalina (dímeros monoclínicos), formaram soluções sólidas, sendo evidente a inibição total de formação de positrônio. Por outro lado, os resultados de EVMP e EARAD indicaram apenas a formação de misturas mecânicas nos sistemas Ho1-xEux(dpm)3, Er1-xEux(dpm)3 e Yb1-xEux(dpm)3, uma vez que esses sistemas são formados por complexos com estruturas cristalinas distintas (dímeros monoclínicos e monômeros ortorrômbicos). Medidas de EVMP a 80 K foram realizadas nos complexos Gd(dpm)3, Eu(dpm)3, Tb(dpm)3, e também nas soluções sólidas de fórmula geral Gd1-xEux(dpm)3 e Tb1-xEux(dpm)3. Ambas as soluções sólidas, assim como os complexos isolados, apresentaram I3 (%) obtidos a 80 K consideravelmente inferiores em relação aos I3 (%) obtidos a 295 K. Apesar desse resultado não estar de acordo com o modelo do spur, não há, no momento, dados suficientes para se propor uma explicação. Medidas de luminescência realizadas nas soluções sólidas Tb1-xEux(dpm)3 evidenciaram uma correlação linear entre a supressão da luminescência do Tb3+, obtida a partir de medidas do tempo de vida do nível excitado 5D4 do Tb3+, e a inibição de formação de Ps: ambas crescem com o aumento da concentração no sistema de Eu3+, xEu. A correlação entre a inibição da formação de Ps e a redução do tempo de vida do nível excitado 5D4 do Tb3+ não pode ser explicada pelo modelo do spur. Dessa forma, foi proposto um mecanismo cinético envolvendo a participação de estados excitados do ligante na formação de Ps. Segundo esse mecanismo, processos de transferência de energia Tb3+ -> Eu3+ e de carga dpm -> BTCLM Eu(dpm)3 seriam responsáveis pela redução da vida média do ligante excitado, L*Tb, e do tempo de vida do Tb3+ excitado, LTb*, provocando a inibição de formação de Ps e a supressão da luminescência. Foi então deduzida uma equação correlacionando o I3 (%) com a vida média do nível 5D4 do Tb3+, que proporcionou um ajuste satisfatório dos resultados experimentais (I3 em função de xEu). Aplicando o mecanismo cinético ao sistema Gd1-xEux(dpm)3, onde não há transferência de energia do dpm para o Gd3+, ou do Gd3+ para o Eu3+, foi possível deduzir uma equação bastante semelhante à Stern-Volmer correlacionando I3 (%) e xEu. A obtenção de evidências experimentais que sugerem a participação de estados excitados na formação de Ps é um resultado inédito que abre novas perspectivas de pesquisa na área de aniquilação de pósitrons. Tendo em vista os resultados obtidos, mostra-se interessante a elaboração de novos experimentos capazes de apresentar evidências adicionais que corroborarem o mecanismo cinético proposto.  
Abstract: This work investigated the formation of positronium (Ps) in the isolated complexes Sm(dpm)3, Eu(dpm)3, Gd(dpm)3, Tb(dpm)3, Ho(dpm)3, Er(dpm)3, and Yb(dpm)3, where dpm corresponds to the 2,2,6,6-tetramethyl-3-5-heptanedionate ion. Mechanical mixtures and binary solid solutions with general formula Ln11-xLn2x(dpm)3 were also studied, where Ln1 corresponds to the ions Sm3+, Gd3+, Tb3+, Ho3+, Er3+, Yb3+, and Ln2 corresponds to the ions Eu3+, Gd3+, and Yb3+.With the use of positron annihilation lifetime spectroscopy (PALS), Doppler broadening annihilation radiation lineshape (DBARL), Mossbauer spectroscopy, and luminescence spectroscopy, Ps formation was investigated in these systems. The goal was to obtain more information on the Ps formation process and on how certain molecular properties ¡V such as the energy of the ligand-metal charge transfer state (LMCTS) or the tendency of Ln3+ ions to capture electrons ¡V interfere on the Ps formation. PALS measurements, together with the analysis of the relative intensity of ortho-positronium formation, I3 (%), have shown that the Sm(dpm)3, Gd(dpm)3, Tb(dpm)3, Ho(dpm)3, Er(dpm)3 and Yb(dpm)3 complexes form significant amounts of Ps (I3 between 35 and 45 %), whereas the Eu(dpm)3 virtually does not form any Ps (I3 around 2.5%). PALS, Mossbauer, and luminescence measures were performed on Eu(dpm)3 at 80 and 295 K, in an attempt to verify previous assumptions that would explain the low intensity of Ps formation observed in the vast majority of Eu3+ complexes. The results suggest that the spur model (the most commonly used to explain the formation of Ps) and the intramolecular electron delocalization model do not agree with experimental data. Even though the results confirm the influence of low-energy LMCTS on the Ps formation process, the results obtained at 80 K suggest the existence of other mechanisms, currently unknown, involved in the absence of Ps formation on Eu(dpm)3.The high intensity of Ps formation on Yb(dpm)3 (I3 around 45%) was rather surprising, since the Yb3+ and Eu3+ complexes were expected to show a low I3 (%). The analysis of the Ln3+ reduction potentials (E0), the LMCTS energies of the Ln(dpm)3 complexes and the electronic configurations of the Yb3+ and Eu3+ ions were not sufficient to provide a consistent explanation. The reasons why the Yb(dpm)3 features a high Ps formation intensity, similar to the other Ln(dpm)3, are not yet well understood, and will be the subject of further studies.When studying by PALS and DBARL solid solutions and mechanical mixtures with general formula Ln11-xEux(dpm)3, it has been observed that I3 (%) decreases with the increase of Eu3+ concentration in the mechanical mixtures as well as in the solid solutions, showing that the Eu3+ ion behaves as a Ps formation inhibitor. The Sm1-xEux(dpm)3, Gd1-xEux(dpm)3, and Tb1-xEux(dpm)3 systems, originating from complexes with the same crystal structure (monoclinic dimers), formed solid solutions, clearly showing the total inhibition of Ps formation. On the other hand, PALS and DBARL results indicate the formation of mechanical mixtures in systems Ho1-xEux(dpm)3, Er1-xEux(dpm)3 and Yb1-xEux(dpm)3, since these systems consist of complexes with different crystal structures (monoclinic dimers and orthorhombic monomers).PALS measurements at 80 K were performed on Gd(dpm)3, Eu(dpm)3, Tb(dpm)3, and on solid solutions with general formula Gd1-xEux(dpm)3 and Tb1-xEux(dpm)3. Both solid solutions, as well as the isolated complexes, have shown I3 (%) obtained at 80 K that were considerably lower than the I3 (%) obtained at 295 K. Since this result does not appear to agree with the spur model, the decrease in I3 (%) was explained with a model according to which the formation of Ps would occur from the interaction between the positron and an excited electron of the ligand. The shorter the lifetime of the excited state, the less intense the interactions positron-electron will be, and the lesser the amount of Ps formed. At 80 K, the HOMO-LUMO and LUMO-HOMO transitions are favored due to the more rigid symmetry of the system, reducing the lifetime of the electron in the excited state, and therefore reducing the amount of PS formed.From luminescence measurements performed on the Tb1-xEux(dpm)3 solid solutions, we obtained a linear correlation between the 5D4 excited level lifetime of the Tb3+ ion and I3 (%): both of them decrease when Eu3+ concentration, xEu, increases in the system. This correlation cannot be explained by the spur model. Therefore, a kinetic mechanism was proposed which involves the participation of the ligand¡¦s excited states in the Ps formation. According to this mechanism, the Tb3+ ³ Eu3+ energy transfer and the dpm ³ Eu(dpm)3 charge transfer processes account for the lifetime reduction of the ligand¡¦s excited state, L*Tb, and of the excited Tb3+, LTb*, causing the inhibition of Ps formation and the luminescence suppression. An equation was then deduced which correlates the I3 (%) with the lifetime of level 5D4 of the Tb3+, which satisfactorily fitted the experimental data (I3 as a function of xEu). By applying the kinetic mechanism to the Gd1-xEux(dpm)3 system, where there is no energy transfer from dpm to Gd3+, or from Gd3+ to Eu3+, we were able to deduce an equation rather similar to the Stern-Volmer equation correlating I3 (%) and xEu. The obtainment of experimental evidence suggesting the participation of excited states in the formation of Ps is an original result that opens a new line of research in the area of positron annihilation. In face of the results obtained, it would be interesting to develop new experiments that could provide additional evidence supporting the proposed kinetic mechanism.
Subject: Físico-química
Metais de terras raras
Positrônio
Luminescência
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/SFSA-9DPTUE
Issue Date: 6-Jun-2013
Appears in Collections:Teses de Doutorado

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
tese_fernando_fulg_ncio_henriques.pdf3.12 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.