MATERIAL QUE EMITE LUZ BLANCA Y SINTONIZA EL COLOR.

La presente invención da cuenta de un vitrocerámico transparente nanoestructurado obtenido a partir de un tratamiento térmico de un vidrio precursor de volumen basado en SiO{sub,

2} y LaF{sub,3} dopado con tres iones de tierras raras (Yb{sup,3+}-Er{sup,3+}-Tm{sup,3+}) preparado por la técnica sol-gel. El nano-vitrocerámico resultante contiene cristales de tamaño nanométrico de LaF{sub,3} precipitados tras el tratamiento térmico y dispersos en una matriz de SiO{sub,2}, quedando los iones de tierras raras incorporados en éstos.

Empleando excitación infrarroja de 980 nm y mediante un proceso luminiscente de up-conversión (conversión de energía infrarroja a visible) se genera luz blanca a través de la síntesis aditiva de las emisiones roja, verde y azul. Controlando la potencia incidente de excitación se consigue la sintonización del color emitido con aplicaciones en dispositivos fotónicos tridimensionales: generadores de imagen, láseres de estado sólido, nuevas memorias ópticas tridimensionales y elementos integrados en un chip

Material que emite luz blanca y sintoniza el color.

Sector de la técnica

Física de materiales. Espectroscopia.

Dispositivos fotónicos integrados: generadores de imagen, láseres de estado sólido, memorias ópticas tridimensionales.

Materiales luminiscentes transparentes de volumen dopados con iones de tierras raras:

Elaboración y caracterización.

Introducción

Los materiales conocidos como nano-vitrocerámicos surgen del tratamiento térmico de un vidrio en el que se induce la nucleación y crecimiento de fases nanocristalinas dispersas en una matriz vítrea. En particular, los vidrios de oxifluoruros basados en nanocristales de LaF₃ dopados con iones lantánidos y dispersos en una matriz vítrea de sílice, se muestran como materiales ideales para aplicaciones en dispositivos fotónicos debido a su baja energía fonónica que mejora las propiedades luminiscentes.

El proceso de síntesis Sol-Gel es uno de los métodos de preparación de materiales de volumen más extensamente usados debido a su simplicidad, bajo costo y control de la homogeneidad del material resultante a nivel molecular.

Por otro lado, para una amplia variedad de aplicaciones en dispositivos de iluminación, existe un gran interés en la generación eficiente de luz blanca frente a métodos convencionales de producción de luz como la radiación térmica de filamentos incandescentes. De igual forma, la sintonización del color emitido aparece como herramienta para aplicaciones en dispositivos fotónicos como láseres de estado sólido y memorias ópticas tridimensionales basadas en escritura láser.

El proceso luminiscente de "up-conversion" (conversión de energía infrarroja a visible) convierte fotones del infrarrojo cercano en fotones visibles, vía proceso multifotónico de absorción secuencial y transferencia de energía. Además láseres comerciales de diodo en el infrarrojo cercano pueden ser empleados como fuentes de excitación continua y de bajo costo.

En definitiva, existe la necesidad de desarrollar dispositivos eficientes, estables y de fácil fabricación, generadores de luz blanca y con la capacidad de sintonización del color emitido teniendo en cuenta los siguientes puntos: fuentes de excitación infrarroja económicas y de eficiente absorción como láseres de diodos; control de las intensidades relativas de las emisiones de los colores primarios (rojo, verde y azul) y método sencillo y ventajoso de elaboración del material. La presente invención plantea mejoras en relación a la consecución de estos objetivos.

Estado de la técnica

Frente a métodos convencionales poco eficaces basados en la incandescencia, la búsqueda de materiales con capacidad de generar luz blanca eficientemente y sintonizar el color se ha intensificado en los últimos años. Entre ellos cabe mencionar la conversión de electricidad usada en diodos emisores de luz (diodos orgánicos y diodos de polímeros: OLEDs Y PLEDs [1-2]) y la conversión de luz infrarroja a visible (up-conversion) en materiales dopados con iones luminiscentes lantánidos o tierras raras como vidrios, cristales de fluoruros [3-4] y nano-vitrocerámicos obtenidos por métodos convencionales de fusión [5-8]. Sin embargo la complejidad en los requerimientos técnicos y el alto coste de preparación suponen una desventaja para estos ejemplos citados.

Como alternativa, surgen materiales nano-vitrocerámicos transparentes obtenidos tras tratamiento térmico de vidrios precursores preparados por el método sol-gel, que se caracterizan por la sencillez y simplificación de la preparación y la economía del proceso. Dentro de ellos, nano-vitrocerámicos basados en nanocristales de LaF₃ dopados con tierras raras, precipitados tras el tratamiento térmico y dispersos en una matriz vítrea de óxido de silicio, se muestran como excelentes materiales para aplicaciones luminiscentes, debido a la solubilidad de dichas tierras raras en estos entornos nanocristalinos de baja energía fonónica [9-10].

Según la patente WO2006113998 se conoce la generación de luz blanca en películas delgadas derivadas del método sol-gel conteniendo nanopartículas dopadas con diferentes parejas de iones de tierras raras [11]. Sin embargo, el método allí descrito conlleva una excesiva complicación ya que requiere la preparación previa de nanopartículas que posteriormente son incorporadas a la película delgada incrementando el coste adicional del proceso. Además las láminas así obtenidas son demasiado delgadas para aplicaciones en dispositivos ópticos integrados requiriendo la acumulación de las misma en multicapas.

Por lo tanto no existen, hasta donde sabemos, nano-vitrocerámicos de volumen conteniendo nanocristales de LaF₃ dopados con tres iones de tierras raras obtenidos tras un sencillo tratamiento térmico de vidrios precursores sol gel, para la producción del luz blanca y sintonización del color a partir del control de la potencia incidente.

Descripción de la invención

La presente invención da cuenta de la generación de luz blanca y sintonización del color en un vitrocerámico transparente nanoestructurado de volumen basado en SiO₂ y LaF₃ dopado con tres iones de tierras raras para aplicaciones en dispositivos fotónicos. El nano-vitrocerámico es obtenido a partir de un tratamiento térmico de un vidrio transparente preparado por la técnica Sol-Gel. Debido al tratamiento térmico, cristales de tamaño nanométrico de LaF₃ precipitan en su interior permaneciendo dispersos en la matriz de SiO₂ y quedando los tres iones de tierras raras utilizados, Yb³⁺-Er³⁺-Tm³⁺, incorporados en éstos.

Bajo excitación infrarroja a 980 nm, proveniente de un diodo comercial de bajo coste, y mediante un proceso luminiscente de up-conversion (conversión de energía infrarroja a visible) se obtienen emisiones roja, verde y azul, correspondientes a las transiciones electrónicas de los tres iones de tierras raras empleados como dopantes. Por lo tanto, a través de la síntesis aditiva de estas emisiones se genera luz blanca permitiendo la sintonización del color mediante el control de la potencia incidente de excitación. La eficiente generación de luz blanca resulta muy intensa y observable a simple vista, incluso a potencias bajas de excitación infrarroja.

El proceso de obtención del material de la presente invención consta de un tratamiento térmico al que se somete a un vidrio precursor de volumen elaborado por la técnica de Sol-Gel. El método Sol-Gel permite preparar de forma sencilla un vidrio oxifluoruro precursor transparente a temperatura ambiente, sin los requerimientos técnicos y las dificultades asociadas a la preparación de cristales y/o vidrios de fluoruros en atmósferas controladas usando técnicas de fundido a altas temperaturas. Por lo tanto, la obtención del nano-vitrocerámico mediante una sola etapa de tratamiento térmico del vidrio sol-gel, permite el control sobre la formación y crecimiento de los nanocristales y la cantidad de iones dopantes, frente a otros métodos de producción previa de nanopartículas (véase patente WO2006113998), simplificando el proceso y reduciendo el coste. El dopaje llevado a cabo con los tres iones de tierras raras utilizados (Yb³⁺ Er³⁺-Tm³⁺) optimiza la generación de luz blanca al emplear los mínimos iones dopantes necesarios para la generación de las emisiones primarias roja, verde y azul bajo excitación infrarroja. Además la sintonización del color emitido se controla mediante la potencia de excitación infrarroja, para inducir un cambio en la intensidad relativa de las emisiones primarias, sin necesidad de cambio en la composición del material sintetizado (véase patente WO2006113998). Asimismo cabe destacar que la presente invención da cuenta de la obtención de un material transparente de volumen, que frente a otro tipo de materiales como películas delgadas, permiten su aplicación en dispositivos ópticos integrados.

En resumen, la presente invención describe, por primera vez hasta donde sabemos, la obtención de un nano-vitrocerámico Sol-Gel de volumen transparente basado en nanocristales de LaF₃ dopados con tres iones de tierras raras en una matriz de SiO₂ para la generación de luz blanca y sintonización del color con aplicaciones en dispositivos fotónicos tridimensionales: generadores de imagen, nuevas memorias ópticas tridimensionales, láseres de estado sólido y dispositivos ópticos integrados.

Referencias

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1. Material que emite luz blanca bajo excitación infrarroja de 980 nm y sintoniza el color mediante control de la potencia incidente, caracterizado por una matriz volumétrica de 0-99 mol % SiO₂ y 0-99 mol % de LaF₃ dopada con 0-10 mol % de Yb³⁺, 0-10 mol % de Er³⁺ y 0-10 mol % de Tm³⁺ obtenido mediante la técnica sol-gel empleando tratamiento térmico posterior para la formación de nanocristales.

2. Material que emite luz blanca bajo excitación infrarroja de 980 nm y sintoniza el color mediante control de la potencia incidente, caracterizado por una matriz volumétrica de 94.5 mol % de SiO₂ y 5 mol % LaF₃ dopada con 0.3 mol % de Yb³⁺, 0.1 mol % de Er³⁺ y 0.1 mol % Tm³⁺ obtenido mediante la técnica sol-gel empleando tratamiento térmico posterior para la formación de nanocristales.