Fast 5d-4f luminescence of Pr3+ in new wide band-gap host lattices for applications in medical diagnostics

Il lavoro presentato in questa tesi si pone l'obiettivo di studiare le proprietà ottiche e spettroscopiche di nuovi materiali luminescenti destinati ad applicazioni quali scintillatori veloci per moderne tecniche di diagnostica medica. Specificatamente la nostra attenzione è stata rivolta alla sintesi di materiali inorganici ad ampio band-gap attivati con lo ione trivalente praseodimio (Pr3+) il quale, in seguito ad opportuna eccitazione, può dare luogo ad emissioni radiative veloci (15-25 ns) potenzialmente utili nella realizzazione di scintillatori. Le prestazioni dei scintillatori sono determinate prevalentemente dalla dissipazione dell'energia assorbita in seguito all' irradiazione del materiale attraverso una sequenza di processi che portano infine all'emissione di radiazione visibile o ultravioletta. Lo studio e la comprensione dei meccanismi di rilassamento, migrazione e trasferimento dell'energia assorbita dal materiale ai difetti e/o impurezze è fondamentale per la progettazione di nuovi materiali ottici dalle prestazioni avanzate, soprattutto in termini di efficienza quantica, velocità di risposta, stabilità termica e chimica. Nel presente lavoro di tesi sono stati preparati e caratterizzati campioni di Ca9LuPO4:Ce3+/Pr3+, K3Lu(PO4)2:Pr3+, KLuP2O7:Pr3+, X2SiO5:Pr3+ (X= Y, Lu) come polveri policristalline e BaMgF4:Nd3+ come cristallo singolo. Per ciascun materiale è stato quindi condotto uno studio ottico sistematico mediante spettroscopia di luminescenza risolta nel tempo e dinamica di stato eccitato al fine di comprendere la struttura elettronica dei centri luminescenti, l'influenza dei difetti reticolari e i principali meccanismi responsabili dei trasferimenti energetici tra matrice e ione luminescente. L'attività di ricerca proposta in questo progetto di tesi porrà le basi per lo sviluppo di adeguati modelli sulle modalità di trasferimento energetico in nuovi materiali scintillatori attivati con ioni lantanidi, portando infine alla possibilità di progettare materiali dalle proprietà ottiche opportunamente selezionate e all'ottimizzazione delle prestazioni di materiali già in uso.

The work presented in this thesis is focused on the development and improvement of new wide band-gap luminescent materials used as fast scintillators in modern medical diagnostic techniques. The goal of this research consists in obtaining inorganic scintillators activated with trivalent preaseodymium (Pr3+) ion where a very fast interconfigurational d-f emission could be observed. The performance of scintillator materials is determined by the dissipation of high energy photons in a sequence of processes ultimately leading to the emission of visible or UV radiation. The understanding of the processes responsible for relaxation and migration of electronic excitations, and the transfer of energy to defects and impurity centers is crucial for successful development of new optical materials with enhanced performance, especially in terms of quantum efficiency, temporal response, radiation resistance, thermal and chemical stability. In the present work polycrystalline powders of Ca9LuPO4:Ce3+/Pr3+, K3Lu(PO4)2:Pr3+, KLuP2O7:Pr3+, X2SiO5:Pr3+ (X= Y, Lu) and single crystals of BaMgF4:Nd3+ were synthesized and characterized. A systematic study of time-resolved luminescence spectra and luminescence decay profiles of these materials was performed at the HASYLAB, DESY synchrotron facility in Hamburg (Germany) in order to understand the electronic structure of luminescent centers, the influence of defects, and the main mechanisms responsible for host-to-impurity energy transfer and relaxation of the host electronic excitation. The research proposed in this project will allow developing an adequate model of creation and relaxation of electronic excitations establishing the main principles for the synthesis of new materials with controllable optical and luminescence properties.