SCATTERING DIFUSO DE NEUTRONES EN MATERIALES INORGÁNICOS LUMINISCENTES
En los últimos años, nuestro trabajo de investigación se ha concentrado en avanzar en el conocimiento de los aspectos estructurales y espectroscópicos de los compuestos del tipo elpasolitas, estequiométricas y no estequiométricas, donde Ln(+3) y Ln(+3) son iones lantanidos trivalentes positivos y Z(-1) representa un ion halogenuro.
Para este objetivo, se han identificados nuevas rutas de síntesis y hemos implementado técnicas de análisis instrumental y de caracterización espectroscópica, tanto al nivel de investigación básica como aplicada.
Las técnicas de difracción de rayos X (DRX), difracción de neutrones y el scattering difuso de neutrones, proporcionan datos estructurales esenciales para un conocimiento acabado de la estructura cristalina de este tipo de estructuras cristalinas. En este trabajo, realizado con la infraestructura del reactor nuclear, del centro de estudios nucleares de la Reina (CCHEN), se presenta la técnica de scattering difuso de neutrones, el procedimiento de calibración y algunos estudios exploratorios con una aplicación concreta a la elpasolita estequiométrica de Holmio (+3)
En física del estado sólido, el estudio de procesos radiativos y no radiativos corresponde a un área emergente de interés renovado, esencialmente por el advenimientos de técnica de detección instrumental. Existen avances importantes tanto desde el punto de vista estructural y espectroscópico como también en el desarrollo de nuevos formalismos de cálculo. Resultan ser de gran interés, abordar el análisis de cristales puros y dopados de simetría cúbica, para los cuales existe una masa importante de datos experimentales, obtenidos utilizando técnicas de espectroscopía lineal (Infrarrojo y Luminiscencia) y no lineal (Raman y espectroscopía de dos fotones). Diversos son nuestros objetivos en esta área del conocimiento: diseño y análisis de nuevas rutas de síntesis, caracterización estructural (difracción de rayos X y difracción de neutrones) , desarrollo de formalismos de cálculo generalizados en la aproximación molecular, (desprecio de las interacciones entre las vibraciones internas y externas) y en dinámica de cristales (sistemas puros y dopados).
Los sistemas dopados son complejos, y esta dificultad teórico y experimental aumenta en forma importante al sustituir los ligandos monodentados por ligandos polidentados. La estrategia a seguir consiste en la obtención de datos experimentales nuevos y reproducibles, lo cual nos permita progresar en la formulación de modelos teóricos de envergadura aplicables a física del estado sólido y en particular a dinámica de cristales. Se trata, de considerar en forma explícita la inclusión de interacciones de corto alcance (campos de fuerzas vibracionales) y de largo alcance (sumas cristalinas sobre el espacio directo y recíproco) en la representación de la matriz dinámica con la posterior resolución de la ecuación dinámica.
Nuestro interés inmediato, se ha focalizado en el estudio de las elpasolitas estequiométricas, , donde representa un ion lantánido trivalente positivo y el cristal es clasificado de acuerdo a la simetría del grupo espacial . Es de conocimiento general, que el scattering difuso de neutrones se favorece por la existencia de defectos y vacancias en sólidos policristalinos, como ocurre, por ejemplo, en los sistemas en forma de polvos, cerámicos, aleaciones metálicas y compuestos de última generación y de gran interés tecnológico. Es de nuestro interés aplicar este tipo de técnicas experimentales al estudio de las elpasolitas estequiométricas y no estequiométricas del tipo y , respectivamente.
One way of experimentally probing a condensed matter system involves scattering a photon or neutron the system and studying the energy and angular dependence of the resulting cross-section. Crystal structure experiments have usually been done with X-rays.
ELEMENTOS INTRODUCTORIOS
Al hacer incidir un haz de neutrones en un blanco, ocurren tres fenómenos competitivos; scattering, transmisión y absorción de neutrones. Como resultado del alto poder de penetración de los neutrones, éstos interactúan con la totalidad de la muestra.
Resulta ser factible separar experimentalmente, los fenómenos de transmisión y absorción de los procesos de scattering. Al incidir los neutrones en la muestra, la sección eficaz de choque se define, como la razón entre el número de interacciones posibles por segundo y el flujo de los neutrones incidentes. La magnitud contiene toda la información relacionada con la interacción entre los neutrones y los núcleos del blanco, como una función de los estados iniciales y finales del sistema neutrón-blanco.
La amplitud de Scattering para un conjunto de núcleos está dada por la suma de las amplitudes individuales de dispersión de todos y cada uno de los estados permitidos multiplicados por un factor de fase , aproximación de Born.
En el caso elástico tenemos , y los estados son de la forma:
donde, Rn es el vector de posición del átomo n-ésimo con respecto del origen. En virtud de lo anterior, la diferencial de la sección eficaz es:
El análisis de la expresión anterior para , contiene dos contribuciones: incoherente (scattering difuso) y coherente (scattering de Bragg), respectivamente.
SCATTERING DIFUSO DE NEUTRONES
a) Montaje experimental
El instrumento de medición, utiliza el haz radial sur de neutrones del reactor del Centro de Estudios Nucleares La Reina (el cual posee una potencia de operación de 5 MW) y nos permite medir la intensidad de scattering difuso (incoherente) de los neutrones que interactuan con la muestra. Esta instrumentación ésta basada en la técnica de tiempo de vuelo de los neutrones y proporciona una distribución de intensidades de scattering en función de la longitud de ondas incidente y el ángulo de detección de los neutrones scattereados. Se utiliza un filtro de Bismuto (monocristalino orientado), el cual elimina los neutrones rápidos y radiación gamma. Adicionalmente se utiliza un filtro de Berilio (policristalino) cuya función es remover del haz, los neutrones con longitud de onda menor a 3.95Å, eliminando de esta forma, la contribución de Bragg. Los dos filtros están a la temperatura de a 77 K, lo anterior nos permite obtener un haz de neutrones caracterizado por tener rango de longitudes de ondas 4Å -7Å. A la salida de los filtros, se utiliza un disco absorbente de neutrones (Al-Cd) como pulsador, el cual posee seis agujeros equidistantes transparentes a los neutrones. Este disco gira a 6000 rpm proporcionando pulsos cada 1,75 milisegundos, permitiendo el paso de trenes de energía, los cuales interactuan con la muestra. El flujo en la posición de la muestra alcanza un valor promedio del orden de . Finalmente, los neutrones dispersados por la muestra son registrados en un banco de doce detectores de BF3 y la información así obtenida, es procesada por la electrónica asociada (periférico) al sistema de medición.
b) Calibración y Aplicación
El procedimiento se realiza de acuerdo a la siguiente forma: (a) Se utiliza Vanadio de alta pureza (99,99%) como muestra de calibración. (b) Se procede a calibrar la electrónica de cada uno y todos los doce detectores, permitiendo la normalización de la señal registrada por los detectores. Para efectos ilustrativos, se muestra la normalización de tres detectores, se presenta un resumen del proceso de calibración de seis detectores.
Se ha sintetizado el cristal estequiométrico , utilizando una reacción química seguida de una reacción de estado sólido, obteniéndose un parámetro de red a=10,7234Å , esto se realizó por medio de las técnicas de DRX y difracción de neutrones, seguido del refinamiento de estructuras por el método de Rietvelt.
Estos datos estructurales demuestran que se trata de una estructura cúbica perteneciente al grupo espacial .
c) Estudio Exploratorio
En este trabajo reportamos datos pioneros en cuanto a la distribución de energías, por el tiempo de vuelo para la elpasolita [Ver Figura 4, correspondiente al espectro de este cristal puro]. Este espectro de distribución de energías (exploratorio), nos permitirá estudiar el scattering originado por los defectos cristalinos, que aparecen para una amplia variedad de elpasolitas dopadas de este mismo ion lantánido. Este fenómeno cobra importancia en la medida que los iones lantánidos utilizados en el dopaje químico, por definición aleatoria, presenten distribuciones electrónicas y nucleares semejantes, preservando la simetría traslacional del cristal anfitrión. No obstante, los espectros de distribución de energías presentarán simultáneamente intensidades distintas y corrimientos, lo anterior como resultado del procedimiento de dopaje. A bajas temperaturas, una proyección natural de este trabajo nos conduce a observaciones de transiciones nucleares, para lo cual será necesario optimizar el sistema de medición experimental.
Figura Nº4, Tiempo de conteo 1 hora Muestra de Ángulo detección 31º en 2(teta).
CONCLUSIONES
El trabajo experimental exploratorio demuestra que el objetivo central de calibración y puesta en marcha del instrumento ha sido logrado, obteniéndose resultados pioneros en el caso de sistemas de alto interés tanto básico como tecnológico. Esta técnica es complementaria a todas las otras facilidades experimentales que utilizan haces de neutrones (difracción de neutrones, scattering inelástico de neutrones y scattering de neutrones con ángulos pequeños). Las implicancias futuras en aspectos estructurales (descensos de simetría) nos permitirá acceder a una nueva masa de datos experimentales, y nos posibilitará el estudio de la interacción electrón-fonón y otros relacionados. De particular importancia será analizar las curvas de dispersión de fonones en cristales cúbicos y ligeramente distorsionados, para distintas direcciones de polarización.
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