Skip to Content

ДА БУДЕТ СВЕТ, ВИДИМЫЙ И НЕВИДИМЫЙ

Человеческий глаз воспринимает лишь малую часть светового спектра — от 400 до 800 нанометров. Расширить «видимый горизонт» нам помогают люминофоры (от латинского lumen — свет и древне-греческого φορός — несущий) — вещества, способные преобразовывать поглощаемую ими энергию в световое излучение — люминесцировать. Люминофоры бывают неорганические (фосфоры) и органические (органолюминофоры). Впервые люминесценция была описана в XVIII веке Хеннигом Брандом, открывшим фосфор.
Сегодня явление люминесценции активно используется в создании люминесцентных ламп и светодиодов, в люминофорных экранах для медицинского оборудования, в цветных экранах телевизоров и других электронных приборов, в дизайне, а также в системах эвакуации и пожарной безопасности. С каждым годом технологии производства люминесцирующих веществ совершенствуются, что позволяет создавать люминофоры с улучшенными световыми качествами.
Ученые Института химии твердого тела УрО РАН во главе с доктором физико-математических наук В.Г. Зубковым синтезировали новые классы соединений, которые демонстрируют оригинальные люминесцентные эффекты. На их основе можно создавать высокоэффективные люминофоры инфракрасного и видимого диапазонов с близким белому свечением. Эта работа уральских химиков, выполняемая при поддержке РНФ, была отмечена президентом РАН академиком А.М. Сергеевым в научном отчете за 2019 г. О ее результатах мы поговорили с Владимиром Георгиевичем Зубковым.
— В чем принципиальная новизна ваших люминофоров?
— Мы создаем новые люминесцентные неорганические материалы для оптоэлектронных систем видимого и инфракрасного спектральных диапазонов. Для этого необходимо исследовать разные материалы, которые по-разному возбуждаются, по-разному излучают. Мы работаем с германатными соединениями со структурой апатита, граната, оливина. Все эти соединения обладают уникальными колебательными свойствами, которые определяют весь спектр люминесцентных свойств в инфракрасном диапазоне. На основе этих материалов можно создавать высокоэффективные люминофоры с каскадным механизмом люминесценции.

— Что это такое — каскадная люминесценция?
— Каскадная люминесценция предполагает последовательный механизм возбуждения разнотипных активных центров, при котором конец эмиссионного перехода на одном центре инициирует начало эмиссионного перехода на другом. Мы впервые реализовали этот эффект в германатах с редкоземельными элементами.
Принципиальная особенность нашего подхода заключается в том, что мы используем в качестве возбуждающего источника серийные диодные лазеры с длиной волны 808 нанометров с последующей конвертацией возбуждающего излучения с помощью наших люминофоров в излучение с длиной волны 1800–2500 нанометров. Это позволяет перейти в другой диапазон длин волн, в котором наблюдается минимальное затухание излучения, — в так называемое оптическое окно прозрачности, применяемое в системах волоконно-оптической связи, а также в атмосферных оптических линиях связи.
— Ваши разработки известны за рубежом, вы активно публикуетесь в престижных международных журналах, у вас высокие индексы цитирования. Благодаря чему достигнуты такие успехи?
— Чтобы успешно заниматься оптическими исследованиями, нужны определенные условия. Первое — иметь хорошую экспериментальную базу. Если хочешь работать на мировом уровне, твои результаты должны соответствовать высоким требованиям к представляемому экспериментальному материалу: качеству структурных, электронно-микроскопических и собственно оптических исследований. В нашем институте такая база создавалась десятилетиями и включает суперсовременные приборы, в том числе спектрометры с диапазоном длин волн от 200 до 3000 нанометров — от ультрафиолета до среднего инфракрасного излучения и со временем жизни в возбужденном состоянии от фемтосекунд (10–12 с) до единиц секунд. Это позволяет проводить измерения в режиме время-коррелированного счета отдельных фотонов — для специалистов понятно, насколько это существенно. Мы приобретали не готовое оборудование, а модули, которые с помощью оптоволоконных линий можно объединять в многомодульные измерительные комплексы под решение конкретной задачи. Свои приборы мы собирали сами на основе как западных разработок (ведущих фирм Японии, Великобритании, США, Китая), так и отечественных (например, мы используем лазеры, созданные в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург). Наша экспериментальная база, скажу по секрету, вызывает зависть у коллег.
Второе условие успеха — высокая квалификация сотрудников. Причем эти два условия — качественная экспериментальная база и уровень сотрудников — тесно взаимосвязаны. Работая на хорошем оборудовании, специалисты имеют возможность быстрого профессионального роста, благодаря чему формируется высококвалифицированный коллектив, способный получать пионерские результаты.
Наша группа небольшая, включает около 10 человек, которые занимаются каждый своим делом: синтезом, структурным анализом, квантово-химическими расчетами и собственно оптическими исследованиями. Большая часть наших ученых моложе 35 лет.
Мы поговорили с одной из молодых сотрудниц группы кандидатом химических наук Яной Викторовной Баклановой, которая исследует литиевые гранаты в качестве основы для получения люминофоров видимого и инфракрасного диапазонов. Вот что она рассказала:
— Идея заняться гранатными составами полностью принадлежала Владимиру Георгиевичу. Он придает большое значение обзору свежей литературы и современных тенденций в изучении материалов и имеет большой опыт разработки новых составов для различных оптических приложений. В то время появились первые работы по структурной аттестации некоторых представителей семейства литиевых гранатов, которыми я также занималась, но эти соединения рассматривались только в качестве новых материалов для литий-ионных батарей. Владимир Георгиевич предложил мне исследовать их для создания люминофоров. Действительно, наличие в их структуре редкоземельных трехвалентных катионов допускает легкость их замещения другими редкоземельными ионами из-за близости ионных радиусов. Для начала мы синтезировали литиевые гранаты тетрагональной модификации, активированные европием. Далее мы сконцентрировались уже на кубических литий-танталовых гранатах и расширили линейку активаторов: помимо европия использовали самарий, гольмий, неодим, диспрозий, тербий и другие лантаноиды.
Трудности, с которыми мы столкнулись, типичны при начале работы с новыми объектами и связаны с синтезом составов и с летучестью лития при высокой температуре. Синтез этих соединений требует высоких температур, обычно выше 900о С. Поэтому нам потребовалось достаточно много времени для подбора оптимальных условий. Мы используем разные низкотемпературные методы синтеза для понижения температуры последующего отжига образцов либо различные способы, препятствующие потере лития при отжиге.
По кристаллической структуре наши литиевые гранаты оказались близки к алюмо-иттриевому гранату — наиболее исследованному и коммерчески используемому представителю гранатного семейства. Люминофоры на его основе, в том числе и активированные европием, имеют высокие значения квантовой эффективности и довольно высокую термическую устойчивость, однако у них более холодные оттенки цвета и низкий индекс светопередачи, а это важные характеристики люминофоров видимого диапазона. Мы показали, что литиевые гранаты, активированные европием и самарием, помимо устойчивой интенсивности излучения и стабильности цвета при повышенной температуре, обладают высокой чистотой красного цвета, что позволяет получать более теплые оттенки. Недавно на основе «родственного» нашим литиевого граната, активированного европием, китайские ученые сконструировали белый светодиод и продемонстрировали его высокую световую эффективность. Это еще раз подтверждает перспективность выбранного нами направления исследований. К тому же, соединения, которые мы синтезируем, могут использоваться для создания люминофоров не только видимого, a также коротковолнового и среднего инфракрасного диапазонов.
Е. Понизовкина
На фото:
с. 4 — доктор физико-математических наук
В.Г. Зубков;
с. 5 — старшие научные сотрудники Института химии твердого тела УрО РАН кандидаты химических наук Яна Бакланова (слева) и Ольга Липина (справа) на церемонии награждения лауреатов конкурса «Женский облик науки», 2019 г.
 
Год: 
2020
Месяц: 
август
Номер выпуска: 
15-16
Абсолютный номер: 
1217
Изменено 31.08.2020 - 16:22


2012 © Российская академия наук Уральское отделение
620990, г. Екатеринбург, ул. Первомайская, 91
makarov@prm.uran.ru +7(343) 374-07-47