Development of thin films of thermographic phosphors for spatial resolved temperature measurements using sputtering techniques

Abstract

Abstract: Two thermographic phosphors materials for surface temperature measurements, praseodymium-doped calcium titanate, CaTiO3:Pr3+, and chromium-doped gadolinium gallium oxide, Gd3Ga5O12:Cr3+, have been successfully deposited on stainless steel substrates by radio frequency magnetron sputtering. For the sputtering process, phosphor targets were prepared using sol-gel combustion (for CaTiO3:Pr3+) and solid-state reactions (for Gd3Ga5O12:Cr3), combined with high temperature sintering. The physical, chemical and luminescence properties of the phosphor films have been evaluated using X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and laser diagnostics. The results showed that the luminescence features of the thin films were restored by heat treatment after the sputtering deposition. The CaTiO3:Pr3+ film showed low temperature sensitivity of its luminescence lifetime and poor precision of the temperature determination, which could limit its thermographic functionality. Contrary, the Gd3Ga5O12:Cr3+ film exhibited appropriate temperature sensitivity with adequate precision of the temperature determination, proving to be suitable for thermographic applications. An evaluation of the two-dimensional luminescence characteristics of the Gd3Ga5O12:Cr3+ thin film revealed spatial inhomogeneities in the luminescence lifetime of the film. A study on Gd3Ga5O12:Cr3+ powders samples, varying the doping concentration and co-doping with cerium, was included with the aim of increasing the understanding about the luminescence characteristics of this phosphor. These results showed that increasing the Cr doping concentration only changes significantly the luminescence lifetime for concentrations above 1 mol%, while temperature sensitivity and precision of the temperature determination are maintained. Co-doping with small amounts of cerium reduces the afterglow of the Gd3Ga5O12:Cr3+ phosphor. However, an excess of cerium could significantly affect the luminescence properties, resulting in poor precision of the temperature determination

Resumen: Se evaluó el desempeño de la pulverización catódica (sputtering) para producir recubrimientos de materiales fosforescentes para la medición de temperaturas superficiales. Se depositaron exitosamente películas delgadas de titanato de calcio dopado con praseodímio, CaTiO3:Pr3+, y granate de gadolinio y galio dopado con cromo, Gd3Ga5O12:Cr3+, en sustratos de acero inoxidable, utilizando sputtering por radiofrecuencia combinada con campo magnético. Los objetivos para el proceso de sputtering se prepararon mediante las técnicas sol-gel con combustión (para el CaTiO3:Pr3+) y reacciones de estado sólido (para el Gd3Ga5O12:Cr3) combinadas con sinterización a alta temperatura. Se evaluaron las propiedades físicas, químicas y de luminiscencia de las películas delgadas, mediante difracción de rayos X (DRX), espectroscopia de fotoelectrones emitidos por rayos X (XPS) y diagnóstico láser. Los resultados mostraron que las propiedades de luminiscencia de las películas fueron restablecidas con tratamiento térmico después de la deposición por sputtering. La película de CaTiO3:Pr3+ mostró una baja sensibilidad de la duración de la luminiscencia con el cambio de temperatura y una baja precisión en la determinación de la temperatura, lo cual podría limitar su funcionalidad para fines de termometría. Por el contrario, la película de Gd3Ga5O12:Cr3+ mostró una sensibilidad apropiada de la duración de la luminiscencia con el cambio de temperatura con una alta precisión en la determinación de la temperatura, probando que esta película delgada es adecuada para aplicaciones de termometría de superficies. Una evaluación de las características de luminiscencia en dos dimensiones de la película de Gd3Ga5O12:Cr3+ reveló una homogeneidad relativamente baja en la duración de la luminiscencia de la película. Se estudió para muestras en polvo de Gd3Ga5O12:Cr3+, el efecto de la concentración del cromo y el codopado con cerio, con el fin de incrementar el entendimiento de las propiedades de luminiscencia de este material fosforescente