DURATA PROIECTULUI:       Septembrie 2020 - August 2022
PROJECT DURATION:          September 2020 - August 2022

CONDUCATOR PROIECT:    Institutul National de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Laserilor, Plasmei si Radiatiei, Magurele 077125, Ilfov, Romania
PROJECT LEADER:              National Institute for Laser, Plasma and Radiation Physics, Magurele 077125, Ilfov, Romania

Valoare contract:                   246.950 lei

Contract value:                      246.950 lei

Research team:                     HAU Stefania, PhD                      (CS)

                                              PAVEL Nicolaie, PhD (Mentor)     (CS I)

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Expected results
- Synthesis and preparation of RE^3+-doped CTGG chemical compounds (RE= Pr³⁺ and Dy³⁺).
- Growth by the Czochralski method and sintering by solid-state reaction of RE³⁺-doped CTGG single crystals and transparent polycrystalline ceramics, respectively, (RE= Pr³⁺ and Dy³⁺).
- High-resolution spectroscopic characterization of RE³⁺- doped CTGG (RE= Pr, Dy) single crystals and transparent polycrystalline ceramic samples.
- Laser emission experiments on RE³⁺-doped CTGG (RE= Pr, Dy) single crystals and polycrystalline ceramics.
- Dissemination of results.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

REZUMAT
Obiectivul general al proiectului este identificarea si dezvoltarea de noi materiale laser cu proprietati controlabile pentru generarea eficienta de emisie laser in domeniul vizibil (VIZ). Cercetarea va fi directionata catre materiale cu dezordine intrinseca de tip granat de calciu-tantal-galliu (CTGG), sub forma de monocristale si ceramici policristaline alternative dopate cu ioni trivalenți de pamanturi rare RE³⁺ (Pr³⁺ și Dy³⁺).

Proiectul este structurat in două obiective specifice.
Obiectiv I. Dezvoltarea de monocristale laser de tip RE³⁺-dopati in CTGG (RE³⁺= Pr, Dy) cu emisie eficienta in domeniul VIZ.
Obiectiv II. Dezvoltarea de ceramici policristaline laser de tip RE³⁺-dopati in CTGG (RE³⁺= Pr, Dy) cu emisie eficienta in domeniul VIZ.

Rezultate estimate
- Sinteza si prepararea compusilor chimici de tip RE³⁺-dopati in CTGG (RE= Pr³⁺ and Dy³⁺).
- Cresterea prin metoda Czochralski si sinterizarea prin reactie in faza a monocristalelor de tip RE³⁺:CTGG (RE= Pr³⁺ and Dy³⁺), respectiv a ceramicilor policristaline transparente de acelasi tip.
- Caracterizarea prin spectroscopie optica de inalta rezolutie a probelor monocristaline si policristaline de tip RE³⁺:CTGG (RE= Pr, Dy).
- Experimente de emisie laser pe monocristale si ceramici policristaline de tip RE³⁺:CTGG (RE= Pr, Dy).
- Diseminarea rezultatelor prin publicarea a cel putin 2 (doua) lucrari stiintifice in reviste cotate ISI si a 2 (doua) comunicari la conferinte internationale.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Etapa I (septembrie - decembrie 2020)
Obiectiv I.     Dezvoltarea de monocristale laser de tip RE^3+-dopati in CTGG (RE³⁺= Pr, Dy) cu emisie eficienta in domeniul vizibil.
Obiectiv II.    Dezvoltarea de ceramici policristaline laser de tip RE^3+-dopati in CTGG (RE³⁺= Pr, Dy) cu emisie eficienta in domeniul vizibil.
Activitati:       Sinterizarea si prepararea compusilor de tip RE³⁺:CTGG, RE= (Pr, Dy).

Rezultate etapa I
● Obtinerea de compusi sinterizati de tip CTGG dopati cu ioni activi Pr³⁺ si Dy³⁺;
● Rezultate preliminare privind spectroscopia optica a ionilor RE³⁺ investigati; 
 ● Diseminarea rezultatelor.

au fost identificate noi sisteme luminescente bazate pe emisia in vizibil a ionilor de RE³⁺ (Dy si Pr) dopati in materiale gazda cu dezordine intrinseca de tip granat de calciu-tantal-galiu (CTGG). Astfel:
- Au fost obtinute probe ceramice de tip CTGG dopate cu ionii Dy (0.1 - 5 at.%), Pr (0.1 - 10 at.%) folosind tehnica reactiei in faza solida;
- Probele au fost investigate structural prin difractie de raze X;
- Pe baza masuratorilor spectroscopice de inalta rezolutie la 300 K (excitatie si emisie) s-au obtinut date spectrale despre acesti ioni RE³⁺ (Dy si Pr) dopati ceramici de tip CTGG;
- Datele spectrale confirma faptul ca ionii dopanti selectionati au fost incorporati in materialele propuse astfel incat permit continuarea investigatiilor cu cresteri de monocristale si obtinerea de ceramici de tipul CTGG dopate cu ioni RE³⁺ (Dy si Pr);
- Diagrama CIE evidentiaza deplasarea coordonatelor de culoare in functie de concentratia de dopant, atat in cazul ionilor Dy³⁺ cat si in cazul ionilor Pr³⁺, demonstrand faptul ca acestor compusi pot fi fosfori eficienti pentru domeniul vizibil.

 In consecinta, apreciem ca in cadrul acestei etape au fost realizate toate obiectivele propuse si activitatile specificate in propunerea de proiect
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Etapa II (ianuarie - decembrie 2021)

Rezultate etapa II
● Sinteza si prepararea compusilor chimici de tip RE³⁺-dopati in CTGG (RE= Pr³⁺si Dy³⁺).
● Cresterea  prin metoda Czochralski a monocristalelor de tip RE³⁺:CTGG (RE= Pr³⁺si Dy³⁺).
● Caracterizarea structurala prin difractie de raze X si caracterizare prin spectroscopie optica de inalta rezolutie a probelor monocristaline de tip RE³⁺:CTGG (RE= Pr, Dy).
● Diseminarea rezultatelor.

- Monocristalele de tip Pr:CTGG si Dy:CTGG cu concentratii de 5 at.% ioni dopanti (Pr si Dy) au fost crescute prin metoda de tragere din topitura Czochralski. Topirea s-a realizat prin incălzire prin inducție intr-un creuzet de iridiu, temperatura de topire fiind in jur de 1600˚C. Monocristalele au fost crescute in aer cu o viteză de tragere de 2 -4 mm/h și o viteză de 15 - 20 rotații pe minut,  folosind o amorsa de cristal orientata <111>.
- In cadrul acestei etape s-au identificat noi sisteme luminescente bazate pe emisia in vizibil a ionilor de Pr³⁺ si Dy³⁺ simplu dopate in materiale gazda cu dezordine intrinseca de tip granat de calciu-tantal-galiu (CTGG) sub forma de cristale si ceramici.
- Monocristale de tip CTGG dopate cu Pr³⁺ (5 at.%) si Dy (5 at.%) au fost crescute prin metoda Czochralski.
- Monocristale obtinute au fost caracterizate structural prin difratie de raze X si prin spectroscopie de inalta rezolutie.
- Au fost corelate datelor spectrale cu modele structurale, au fost evaluati parametri spectroscopici de interes pentru emisie laser in domeniul vizibil. Evaluarea parametrilor spectroscopici, modelarea efectelor compozitiei, structurii si a proprietatilor spectroscopice asupra emisiei laser in vizibil.

In consecinta, apreciem ca in cadrul acestei etape au fost realizate toate obiectivele propuse si activitatile specificate in propunerea de proiect.
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Etapa III (ianuarie - august 2022)
Obiectiv. Obtinerea probelor ceramice policristaline transparente de tip RE³⁺:CTGG (RE³⁺= Pr, Dy) sinterizate prin reactie in faza solida.
Scopul investigatiilor din acesta etapa este obtinerea probelor ceramice policristaline de tip RE³⁺:CTGG (RE³⁺= Pr, Dy) sinterizate prin reactie in faza solida si caracterizarea spectroscopica de inalta rezolutie a acestora in vederea obtinerii emisiei in domeniul vizibil.

Rezultate etapa III
● Sinteza si prepararea probelor ceramice policristaline transparente de tip RE³⁺: CTGG (RE³⁺= Pr, Dy).
● Caracterizarea structurala prin difractie de raze X.
● Caracterizare morfologica a particulelor de pulbere din materiile prime investigate prin scanare electronica - microscopie (SEM).
● Caracterizare prin spectroscopie optica de inalta rezolutie a probelor ceramice policristaline de tip RE³⁺:CTGG (RE= Pr, Dy).
● Diseminarea rezultatelor.

Pentru a obtine un material ceramic cu o transparenta ridicata, alegerea materiilor prime este foarte importanta. Marimea, distributia, forma si starea de aglomerare a particulelor de pulbere au importante consecinte pentru etapa de consolidare si microstructura  a corpului sinterizat. O atentie deosebita a fost acordata omogenizarii materiilor prime, uscarii si cernerii pulberilor amestecate, tratarea si calcinarea pulberilor si, de asemenea, la compactarea “corpurilor verzi”.

- In cadrul acestei etape s-au identificat noi sisteme luminescente bazate pe emisia in vizibil a ionilor de Pr³⁺ si Dy³⁺ simplu dopate in materiale gazda cu dezordine intrinseca de tip granat de calciu-tantal-galiu (CTGG) sub forma de ceramici policristaline, cu concentratii de 0.1, 1 si 3 at.% Pr³⁺, respectiv 0.1, 1 si 3 at.% Dy³⁺.
- Au fost caracterizate structural prin difractie de raze X toate probele obtinute.
- Au fost caracterizate prin spectroscopie optica de inalta rezolutie probele ceramice policristaline de tip RE³⁺:CTGG (RE³⁺= Pr, Dy).
- Au fost corelate datelor spectrale cu modele structurale, au fost evaluati parametrilor spectroscopici, modelarea efectelor compozitiei, structurii si a proprietatilor spectroscopice asupra emisiei in domeniul vizibil.
- Rezultate obținute in cadrul acestei etape indica faptul ca tehnica de obtinere al ceramicilor policristaline de tip RE:CTGG trebuie imbunatatita, in vederea obtinerii de ceramici cu un grad de transparenta cat mai mare (minim 80%). Caracteristicile structurale si spectroscopice ale ceramicilor investigate sunt similare cu cele ale cristalelor anterior investigate.

In consecinta, apreciem ca in cadrul acestei etape au fost realizate toate obiectivele propuse si activitatile specificate in propunerea de proiect..
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

● DISEMINAREA REZULTATELOR
- JOURNALS
1. S. Hau, G. Stanciu, D. Avram, C. Gheorghe, L. Gheorghe, “Energy transfer and luminescent properties of Tb³⁺ and (Tb³⁺, Yb³⁺) doped CNGG phosphors”, Journal of Rare Earths, 40(9), 1445-1453 (2022). IF 3.712, https://doi.org/10.1016/j.jre.2021.09.008  Nota: Lucrarea a fost finantata partial (~80%) din acest proiect.
2. C. Gheorghe, S. Hau, G. Stanciu, D. Avram, A. Broasca, L. Gheorghe, “Novel optical temperature sensors based on the emission of the Pr³⁺ ions doped Ca₃(M,Ga)₅O₁₂(M⁵⁺ = Nb, Ta) garnet phosphors,” J. Alloys & Compds. 922, 166178 (2022). IF= 6.371. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.166178
3. C. Gheorghe, S. Hau, L. Gheorghe, A. Broasca, M. Greculeasa, F. Voicu, G. Stanciu, M. Enculescu, “Growth and spectroscopic properties of Ca₃(Ta,Ga)₅O₁₂Pr³⁺ single crystal as a promising new laser material in the visible domain,” Opt. Mater. 150, 115286 (2024). https://doi.org/10.1016/j.optmat.2024.115286

- CONFERENCES
1. S. Hau, C. Gheorghe, L. Gheorghe, G. Stanciu, “Optical properties of Pr^3+-doped Ca₃(Ta,Ga)₅O₁₂ ceramic phosphors," TIM 20-21 Physics Conference, 11 - 13 Nov. 2021, Timisoara, Romania;  presentation CMP-P3.
2. S. Hau, C. Gheorghe, L. Gheorghe, F. Voicu, M. Greculeasa, A. Brosca, G. Stanciu, D. Avram, M. Enculescu, “Luminescence and optical thermometry of the Pr³⁺ ions doped Ca₃(M,Ga)₅O₁₂ (M⁵⁺ = Nb, Ta) garnet phosphors,” International Conference on Laser, Plasma and Radiation - Science and Technology, June 7-10, 2022 Bucharest, Romania; poster presentation P2-01. Book of Abstracts, ISSN 2821-7128.
3. S. Hau, C. Gheorghe, L. Gheorghe, F. Voicu, M. Greculeasa, A. Broasca, G. Stanciu, M. Enculescu, ”Spectroscopic Characterizations of Pr³⁺ and Dy³⁺ doped Calcium Tantalum Gallium Garnet- Ca_2.85Ta_1.80Ga_3.10O₁₂ Single Crystals,” 20th International Balkan Workshop on Applied Physics and Materials Science (IBWAP 2022), July 12-145, Constanta, Romania; presentation S1-P7.
4. S. Hau, M. Greculeasa, A. Broasca, F. Voicu, G. Stanciu, D. Avram, M. Enculescu, L. Gheorghe, and C. Gheorghe, “Pr³⁺-doped Ca₃(Ta, Ga)₅O₁₂ single crystal as potential laser material in the visible range,” 7th European Conference on Crystal Growth (ECCG7), 25 - 27 July 2022, Paris, Franta, S3-P23.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________