[논문 리뷰] Kinetic Parameters analysis of GdAlO$_3$ based on thermoluminescent phenomenon

D. Nolasco-Altamirano, C. S. Romero-Nuñez외 7명|arXiv (Cornell University)|2024. 06. 03.

Luminescence Properties of Advanced MaterialsMaterials Science인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 공액침전법으로 제조한 합성 GdAlO₃ phosphor에서 열광발광(TL) 동역학적 파arameter를 다중 탈구성 방법을 사용하여 분석하며, 겹치는 피크를 해소하는 데 Computing Glow Curve Deconvolution(CGCD)가 가장 효과적인 것으로 규명되었다. 결과적으로 연속적이고 이산적인 성분을 모두 포함하는 복잡한 함몰 에너지 분포를 규명하였으며, 이는 선량측정 응용 분야에서 중요한 활성화 에너지 및 빈도 인자에 대한 세부 정보를 제공한다.

ABSTRACT

{We herein report on the calculation of thermoluminescence (TL) kinetic parameters determined from the TL emission of synthetic GdAlO3 (GAO) phosphors prepared by the co-precipitation method. The sample, characterized by means of X-ray diffraction with an orthorhombic phase structure (space group Pnma (62), shows complex glow curves consisting of at least four groups of components peaked at 100, 140, 240, and 290 °C where the two lower overlapped temperature peaks are difficult to identify using the $T_M-T_{stop}$. The coexistence of a continuum in the trap distribution (linked to the lower temperature peaks) and a discrete trap system (associated with the components at temperatures higher than 200 °C) can be distinguished. The estimation of the TL kinetic parameters is performed using GlowFit, TLAnal, the spreadsheet Origin, Computing Glow Curve Deconvolution (CGCD), and various heating rate (VHR) methods. However, only CGCD appears as the suitable technique for such purpose since it provides information on the TL physical process supported by mathematical models based on a linear combination of functions related to the First Order Kinetic approach.

연구 동기 및 목표

• 공액침전법으로 제조한 합성 GdAlO₃ phosphor의 열광발광(TL) 동역학적 파arameter를 규명하는 것.
• 겹치는 피크를 포함한 복잡한 글로우 커브 분석을 통해 GdAlO₃ 내의 함몰 중심의 성격을 조사하는 것.
• GlowFit, TLAnal, Origin, VHR, CGCD 등의 다수의 TL 분석 기법 간의 성능을 비교하여 동역학적 파arameter를 해소하는 데에 있어 효과성을 평가하는 것.
• 피크 형상과 가열 속도 행동에 기반하여 연속적이고 이산적인 함몰 에너지 분포를 구분하는 것.
• 향후 방사선 선량측정 응용을 위한 GdAlO₃ 내 열광발광 거동에 대한 종합적 특성 분석을 제공하는 것.

제안 방법

• 공액침전법을 통해 GdAlO₃ phosphor를 합성하고 X선 회절(XRD)을 이용하여 특성화하여 정오계수 구조(공간군 Pnma, 번호 62)임을 확인.
• 다양한 가열 속도에서 열광발광 글로우 커브를 측정하여 동역학적 거동과 피크 해소 특성을 연구.
• 다양한 분석 기법을 적용: GlowFit는 커브 피팅에 사용, TLAnal은 탈구성에 사용, Origin은 데이터 시각화에 사용, VHR은 동역학적 파aram터 추정에 사용.
• Computing Glow Curve Deconvolution(CGCD) 기법을 활용하여, 첫 번째 순서 동역학 함수의 선형 조합을 사용하여 글로우 커브를 모델링.
• 피크 행동 평가 및 함몰 에너지 분포 유형(연속적 vs. 이산적)을 추론하기 위해 $T_{ ext{max}} - T_{ ext{stop}}$ 방법을 사용.
• 다양한 기법 간의 활성화 에너지($E_a$), 빈도 인자($s$), 동역학 순서($b$) 비교를 통해 결과의 물리적 일관성을 평가.

Figure 2: Thermoluminescence glow curves of GdAlO 3 after being exposed to 13.2 Gy beta radiation using different heating rate values (0.5 – 10 K/s).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GdAlO₃ 내 열광발광 글로우 피크의 동역학적 파aram터(활성화 에너지, 빈도 인자, 동역학 순서)는 무엇인가?
• RQ2 GlowFit, TLAnal, Origin, VHR, CGCD 등의 다양한 탈구성 방법은 GdAlO₃에서 겹치는 TL 피크를 해소하는 데 어떻게 비교되는가?
• RQ3 GdAlO₃ 내 함몰 에너지 분포의 성격은 연속적일까 이산적일까? 이는 글로우 커브 형상에 어떻게 반영되는가?
• RQ4 가열 속도 변화가 피크 위치와 형상에 어떤 영향을 미치며, 이는 기저의 함몰 메커니즘을 어떻게 반영하는가?
• RQ5 복잡한 글로우 커브를 가진 GdAlO₃에서 열광발광 과정을 가장 정확하고 물리적으로 일관되게 기술하는 방법은 무엇인가?

주요 결과

• GdAlO₃의 열광발광 글로우 커브는 최소한 4개의 성분을 보이며, 피크 최고점은 각각 100 °C, 140 °C, 240 °C, 290 °C에 위치해 있으며, 첫 번째 두 피크는 겹쳐져 있어 $T_{ ext{max}} - T_{ ext{stop}}$ 방법으로는 해소하기 어려운 편이다.
• 낮은 온도 피크(100 °C 및 140 °C)는 연속적인 함몰 에너지 분포와 관련이 있으며, 높은 온도 피크(240 °C 및 290 °C)는 이산적인 함몰 중심이 지배적이다.
• 시험된 기법들 중 CGCD가 가장 정확하고 물리적으로 일관된 동역학적 파aram터 해소를 제공하였으며, 이는 제1순서 동역학 모델에 의해 뒷받침된다.
• $T_{ ext{max}} - T_{ ext{stop}}$ 방법은 준연속적인 함몰 에너지 분포를 시사하였으며, 정지 온도가 높아질수록 피크 위치가 증가하는 경향을 보였다.
• VHR 및 피크 형상 방법은 겹치는 피크에 민감하여, 특히 첫 번째 두 성분에 대해 오해의 소지가 있는 결과를 낳을 수 있었다.
• 본 연구는 다중 기법 접근이 동역학적 파aram터 추정의 신뢰성을 향상시킨다는 것을 확인하였으며, 특히 복잡하고 겹치는 글로우 커브를 가진 GdAlO₃에 있어서 CGCD가 최적의 방법임을 규명하였다.

Figure 3: X-ray diffraction pattern of GdAlO 3 powders. The diffraction peaks correspond to an orthorhombic crystal structure in the Pnma (62) space group, consistent with JPCDS Card No. 48-0310. The narrow and sharp (132) and (231) peaks indicate good crystallization characteristics.