Multifunctional radioluminescent lanthanide-doped heavy element-based nanoparticles

Questa tesi indaga la termometria ottica basata sulla radioluminescenza per sopperire alla mancanza di sensori autonomi in ambienti a radiazione estrema. Definendo una direttiva per la progettazione di sonde attivate dai raggi X, il lavoro colma il divario tra spettroscopia fondamentale e sensoristica pratica. Le ricerche sui silicati di bismuto hanno prodotto una sensibilità relativa molto promettente per il Bi2SiO5:Pr3+, identificando il Bi4Si3O12:Pr3+ come emettitore NIR. Studiando poi i fluoruri di bismuto, si è ottenuta per la prima volta la sintesi nanometrica di soluzioni solide di Rb:Bi:F. L’analisi comparativa ha identificato il BiF3 come miglior candidato per applicazioni ottiche grazie alla stabilità idrolitica e resa di radioluminescenza. Lo studio finale si è concentrato sui fluoruri di cerio, inclusa l'ottimizzazione della fase NaCeF4 tramite un protocollo "heating-up". È stata studiata la triade Ce−Tb−Eu, mentre i dati VUV suggeriscono che l’emissione della matrice derivi da complessi stati di tipo eccitonico anziché dalle transizioni standard del Ce3+. Un radiotermometro basato su CeF3:Tb3+ ha mostrato performance migliori del sistema co-dopato Tb-Eu e un'ottima resistenza alle radiazioni (97% di intensità mantenuta dopo 500 s di irraggiamento X) nell’intervallo 10–300 K. Questi risultati forniscono un quadro formale su materiali ad alte prestazioni per il monitoraggio termico in tempo reale in infrastrutture di ricerca avanzate e applicazioni aerospaziali.

This thesis investigates radioluminescence-based optical thermometry to address the lack of remote temperature sensors for extreme radiation environments. By establishing a design roadmap for X-ray activated probes, this work bridges the gap between fundamental spectroscopy and practical sensing. Initial research on bismuth silicates yielded promising relative sensitivity for Bi2SiO5:Pr3+, while identifying Bi4Si3O12:Pr3+ as a structured NIR emitter. The study then explored bismuth-based fluorides, achieving the unprecedented nanodimensional synthesis of Rb:Bi:F solid solutions. Comparative analysis identified BiF3 as the standout candidate due to its superior hydrolytic stability and radioluminescence yield. Finally, cerium-based fluorides, including CeF3 and the challenging NaCeF4 nanocrystals stabilized via a refined "heating-up" protocol were investigated. Spectroscopic mapping of the Ce−Tb−Eu triad revealed dominant energy migration within the cerium sublattice, while VUV data suggested that the host emission originates from complex exciton-like states rather than standard Ce3+ transitions. CeF3:Tb3+ singly-doped radiothermometers demonstrated better performance than Tb-Eu co-doped systems along with suitable radiation hardness (97% intensity retention after 500s X-ray flux) over the 10–300 K range. These findings provide a formalized framework and high-performance materials for real-time thermal monitoring in advanced radiation facilities and aerospace applications.