Lu 2-x Y x SiO 5 (LYSO) nanoporok előállítása és vizsgálata. Laczai Nikoletta

Átírás

1 Lu 2-x Y x SiO 5 (LYSO) nanoporok előállítása és vizsgálata Laczai Nikoletta

2 Bemutatkozás Debreceni Egyetem 2010 június Diplomamunka: Erőművi porminták analitikai és morfológiai vizsgálata Posta József témavezetésével 2010 november 1-től a Kristályfizikai Osztályon tudományos segédmunkatárs, Szcintillátor anyagok előállítása orvosdiagnosztikai képalkotási célokra OTKA-NKTH keretein belül

3 OTKA-NKTH Célja: orvosi képalkotó eszközök detektormoduljában használt szcintillátor anyagok fejlesztése A detektoranyagok anyagtudományi K+F feladatait az MTA Wigner SZFI Kristályfizikai Osztály végzi Optikai és mechanikai rendszer fejlesztése a BME Atomfizikai Tanszék kutatócsoportjának a feladata Eddig az egykristályok alkalmazása terjedt el az orvosdiagnosztikai képalkotási feladatokra, melyek olvadáspontja magas és a kiindulási anyagok beszerzési ára költséges beágyazott,polikristályos szcintillátor készítéséhez alkalmas fénypor előállítása Nano mérettartományban előállított anyagok új, érdekes tulajdonságokat hordoznak magukban Kutatásunk válasz egy felmerült ipari igényre

4 NanoScan/CT felépítése

5 LYSO kristálytűk a detektorban Kristály Fotoelektronsokszorozó Front-end elektronika Szűkítő elem A detektormodul fényképe

6 Miért éppen a LYSO kristály? Scintillator Materials Lu 2-x Y x SiO 5 : Ce 3+ Lu 2 SiO 5 : Ce 3+ Gd 2 SiO 5 : Ce 3+ Bi 4 Ge 3 O 12 Decay time (ns) /600 60/300 (Fast/Slow Ratio) (7/1) (1/10) Light Output vs NaI (PMT) (%) Light Output vs. NaI (ADP) (%) Peak Emission (nm) Index of Refraction Density (g/cm 3 ) Effective Z /µ 511 kev (mm) Properties of Scintillators University of Wollong Thesis Collection, Charge collection in PET detectors, Tony young, 2007

7 Munkamenet I. A gazdarács, vagyis az ittrium-oxi-ortoszilikát (Y 2 SiO 5,YSO) szobahőmérsékleten metastabil, magas hőmérsékletű X 2 fázis előállítása különböző módszerekkel II. Nanoméretű lutécium-ittrium-oxi-ortoszilikát (Lu 2-x Y x SiO 5, LYSO) magas hőmérsékletű fázisának előállítása III. LYSO adalékolása Ce 3+ -mal különböző koncentrációkban Fázisátalakulások követése hőmérséklet függvényében: DSC, DTA Fázistisztaság és morfológiai jellemzésére: XRD, FTIR, Raman, SEM Előállítási eljárás optimalizálása

8 Y 2 O 3 SiO 2 rendszer fázisdiagramja Levin, E. M., Robbins, C. R. and McMurdie, H. F. Fig In Phase Diagrams for Ceramists, ed. M. K. Reser American CeramicSociety. Columbus, OH, 1969.

9 Lu 2 O 3 SiO 2 rendszer fázisdiagramja Levin, E. M., Robbins, C. R. and McMurdie, H. F. Fig In Phase Diagrams for Ceramists, ed. M. K. Reser American Ceramic Society. Columbus, OH, 1969.

10 cella térfogat [nm 3 ] RESiO 5 oxi-ortoszilikátok (RE =három vegyértékű ritkaföld-fém) kikristályosodása nagyobb ionrádiuszú RE esetében P2 1 /c tércsoport X 1 típusában( monoklin rendszer, prizmás o. ), míg kisebb ionrádiuszú RE B2/b tércsoport X 2 típusban stabil. Mindkét rácsban 2 különböző C 1 alacsony szimmetriájú RE hely van, melyben különbözőképp helyezkedik el oxigén: X 1 típusnál 7 és 9, X 2 típusnál 6 és 7 Fázisátalakulás:~ 1190 C Mindkét forma monoklin kristályrács szerkezetű Y 2 SiO 5 (ortoszilikát) X 1 és X 2 típusok A szerkezetváltozások az ionrádiusz függvényében 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 Lu Yb Tm Er Ho Dy * Tb GdEu Sm Tb 0,4 0,84 0,86 0,88 0,90 0,92 0,94 0,96 0,98 1,00 1,02 1,04 1,06 1,08 Ion rádiusz [A] P2 1 /c, Z=4, X1 fázis C2/c, Z=8, X2 fázis Re2(SiO4)O kristályok J.Felsche, Struct. Bonding (Berlin)13, 99(1973), B.A.Makszimov et al Kristallografia adatai B2/b setting Nd Pr La

11 Előállítási módszerek és a kapott eredmények Szilárd fázisú reakció Nedves reakciók (szol-gél, hidrotermális) Mechanokémiai eljárás

12 Szilárd fázisú előállítás olvadék asszisztált módszerrel Egyfázisú Y 2 SiO 5 -ot nehéz előállítani -a kiindulási Y 2 O 3 /SiO 2 igen magas olvadáspontja - kicsi a reakciókészsége a résztvevő komponenseknek - hosszú ideig tartó hőntartást igényelnek - inhomogenitásból származó hibák jelentkeznek LiYO 2 adalékanyag: -felgyorsítja a két anyag közti reakciósebességet -drámaian csökkenti a szintézis hőmérsékletét - felszámolja a nem kívánt fázisokat

13 Szinterelés LiYO 2 adalékkal : X1+Y2O3+SiO2(Kvarc) 1400 C : (X1)+Y2O3+SiO2(Kvarc) 1150 C : +Y2O3+SiO2(Kvarc) 800 C : LYSO kristály X2 fázis

14 Hőkezelés különböző hőmérsékleteken Hőkezelés különböző hőmérsékleteken Hőkezelés különböző hőmérsékleteken Y 2 O 3 HNO 3 H 2 O TEOS NH 4 OH SZOL-GÉL MÓDSZER Kevertetés RT Áttetsző szol ph beállítás Kevertetés 60 C-on Gél Y 2 O 3 HNO 3 H 2 O SiO 2 HIDROTERMÁLIS ELŐÁLLÍTÁS Kevertetés RT Hidrotermális körülmények PTFE bombában, 200 C 24 h, 5,15 atm MECHANOKÉMIAI ELJÁRÁS Y 2 O 3 SiO 2 Kevertetés RT Nedves őrlés golyósmalomban, ZrO 2 golyókkal, 800 rpm, 24 h Szárítás Szárítás Szárítás Xerogél Hőkezelés 700 C Fehér színű, higroszkópos por Hőkezelés 700 C Fehér színű, higroszkópos por

15 Mechanokémiai eljárás Fritsch Pulverisette 7 Premium line (Próbaőrlési lehetőség) Előnye: - egyszerű - - kevés energiát igényel Hátránya : -a használt eszközök kopása által szennyeződhet a minta - nehéz szabályozni a részecskék méretét és eloszlását Őrlési paraméterek: -ZrO 2 tartályban és 3 mm, ill. 5mm átmérőjű golyókkal -800 rpm -24 h

16 Intenzitás (ö.e.) Mechanokémiai eljárás XRD felvételei Y 2 O 3, -Y 2 Si 2 O 7 Y 4.67 (SiO 4 ) 3 O 5mm RT 3 mm 1400 o C 3 h 3 mm 1400 o C 10 h 5mm 1600 o C 10 h

17 Szol-gél módszer lépései K. Sinkó, A. Meiszterics: Chapter Application of the sol-gel process in the preparation of bioceramics in Bioceramics: Properties, Preparations and Applications edited by W.

18 A TEOS hidrolízisének és kondenzációs reakciójának ph függése Preparation of solid catalysts; Edited by: Gerhard Ertl, H. Knözinger, Jens Weitkamp; Wiley-VCH, 1999

19 Hõáram (mw) DSC- Hidrotermális minták X1 kikristályosodása X1 X2 fázisátalakulás hidrotemális módszer-ii hidrotemális módszer-i szol-gél módszer mechanokémiai eljárás Hõmérséklet ( C)

20 Abszorbancia (ö.e.) Különböző módszerekkel előállított YSO minták FTIR spektrumai Szol-gél Hidrotermális Mechanokémiai LYSO Hullámszám ( cm -1 )

21 Hidrotermális módszer Elterjedt a nanofázisú anyagok szintézisére A reakciók C közti hőmérsékleten és 1 atm nyomástól egészen néhány ezer atm nyomásig végbemehetnek, a legtöbb hidrotermális eljárás a víz szuperkritikus hőmérsékletéhez igazodik (374 C) Kis mértékű a minta szennyeződése Nagy nyomáson és hőmérsékleten a kémiai reakciók sebessége többszörösére nő

22 Intenzitás (ö.e.) Raman spektroszkópiai mérések hidrotermális mintákon RE kationok RE-O Si-O 1600 o C 1400 o C 1100 o C LYSO Raman eltolódás ( cm -1 )

23 5 Hidrotermális minták XRD felvételei Y 4.67 (SiO 4 ) 3 O, Y 2 O 3 YPS I: 180 C 5 h II: 200 C 24 h 1600 C-I 1600 C -II C-II 1100 C-I

24 Abszorbancia (ö.e.) Y(OH) 3 kiindulási anyaggal készült hidrotermális minták FTIR spektrumai 3 SZ: Y(OH) 3 + SiO 2 egyszerre kicsapatva, majd szárítva HT: Y(OH) 3 külön kicsapatva + SiO 2 majd hidrotermális körülmények SZ C SZ C HT C HT C YSO : Ce Hullámszám (cm -1 )

25 Abszorbancia (ö.e.) Y(NO 3 ) 3 kiindulási anyaggal készült hidrotermális minták FTIR- spektrumai 1, C 10 h 1200 C 24 h 1300 C 5 h YSO:Ce 1,0 0,5 0, Hullámszám (cm -1 )

26 Abszorbancia (ö.e.) Hidrotermális módszerrel előállított LYSO minták FTIR spektrumai 1,6 Lu C Lu C Lu C LYSO (standard) 1,2 0,8 0,4 0, Hullámszám ( cm -1 )

27 Összefoglalás Az YSO és LYSO kívánt X 2 fázisát szilárdfázisú olvadék asszisztált, szol-gél és hidrotermális módszerekkel, illetve mechanokémiai eljárással állítottam elő A fentebb felsorolt módszerek közül a hidrotermális hozta a legjobb eredményeket Lu 3+ beépülése a parazita fázisok zömét felszámolta Publikáció N.Laczai, Á. Péter, V. Horváth, Preparation and study of oxyorthosilicate scintillator material VIII. Országos Anyagtudományi Konferencia, Balatonkenese, okt.

28 TERVEK Ritkaföldfémek (Lu 3+ ) beépítése a gazdarács szerkezetébe Összetétel meghatározása, RE-adalék és szennyezők mennyiségének meghatározása: AAS Optikai tulajdonságok vizsgálata: - RE-adalékolt nanoporok gerjesztési spektrumainak minősítése szobahőmérsékleten, vagy az alatt -Röntgensugárzással gerjesztett szcintillációs spektrum minősítése Előállítási eljárás optimalizálása - a hőkezelés atmoszférájának (oxidáló vagy redukáló) a minták optikai tulajdonságokra gyakorolt hatásának vizsgálatával - Az adalék eltérő koncentrációinak hatása -ELTE Kémiai Doktori Iskola PhD Államilag elismert, középfokú nyelvvizsga letétele olasz nyelvből

29 Köszönetnyilvánítás Kristályfizikai Osztály Lassányiné Polgár Katalin, Horváth Valentina, Péter Ágnes, Kovács László, Lengyel Krisztián, Hajdara Ivett ELTE Fizikai Kémiai Tanszék-DSC Raman spektroszkóp -Veres Miklós

30 Köszönöm a figyelmet!