Санкт-Петербургский университетHi-Tech
Мир искусственного света
Разработка университетских ученых поможет сделать ярче и долговечнее телевизионные экраны и панели, компьютерные мониторы, объекты городского и бытового освещения.
За последние несколько десятилетий мир стал светлее. Его освещают миллиарды дисплеев, прожекторов, ламп, подсветок, светофоров, рекламных вывесок и медиафасадов. Все это благодаря цветным светодиодам.
Главный их компонент (то, что светится) — фотолюминофоры: вещества, способные преобразовывать поглощаемую энергию в световое излучение — люминесцировать.
Исследователи Университета открыли новые фотолюминофоры красного цвета. Они обладают более высокой фотостабильностью и лучшей цветопередачей, чем существующие, а их производство дешевле и экологичнее.
Основа для открытий
Все фотолюминофоры состоят из двух компонентов — матрицы-основы и вещества-активатора. Материалами для люминофоров могут выступать неорганические соединения различных металлов в кристаллическом (порошок) и аморфном (стекло) виде. В качестве матрицы-основы используются, например, синтетические соединения, такие как соли борной (бораты) и фосфорной (фосфаты) кислот. Вещество-активатор добавляют в небольшом количестве при синтезе. Исходя из названия, оно предназначено для активации матрицы, то есть для запуска или усиления люминесценции. Такую роль могут играть соединения редкоземельных элементов, таких как европий или тербий, а также ионы марганца и олова.
«Фотолюминофоры на основе редкоземельных элементов демонстрируют превосходные оптические свойства. А неорганические соединения, активированные атомами европия, давно зарекомендовали себя как надежные коммерческие люминофоры красного свечения с хорошими оптическими характеристиками. Они обладают высокой фотостабильностью и интенсивностью излучения, хорошей химической и термической стойкостью, — рассказывает Станислав Константинович Филатов, профессор СПбГУ (кафедра кристаллографии). — Однако при этом у них есть ряд существенных недостатков (подробнее о них читайте ниже. — Прим. ред.)».
Поэтому в настоящее время многие специалисты продолжают искать новые перспективные матрицы для фотолюминофоров, например, на основе сложных боратов щелочноземельных и редкоземельных элементов.
Этим также занимаются и ученые СПбГУ. Они ведут поиск соединений, синтезируют их, расшифровывают кристаллические структуры и анализируют их свойства. Благодаря результатам этой работы им удалось заложить основу для создания новых оптических боратных материалов. А затем создать новые фотолюминофоры красного свечения совместно с учеными Института химии силикатов имени И. В. Гребенщикова (НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ).
Лучше, чем есть
Исследователи сосредоточились именно на красных люминофорах, потому что существующие на настоящий момент коммерческие, как уже было сказано ранее, обладают рядом недостатков. «Например, их использование ограничено, потому что часть излучения красного цвета коммерческих люминофоров лежит в той области спектра, где чувствительность человеческого глаза очень низкая. Это снижает яркость источника света, — отмечает Ярослав Павлович Бирюков, кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник Института химии силикатов имени И. В. Гребенщикова (НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ). — Еще одним недостатком является сложность получения люминофоров. Для их производства необходимы высокое давление и температура, что ресурсозатратно. Некоторые известные коммерческие красноизлучающие соединения термически нестойкие, то есть при перепадах температуры они теряют свои свойства и перестают светиться. Кроме того, для их получения нужна высокотоксичная плавиковая кислота».
По словам Станислава Филатова, по сравнению с ними разработанные исследователями Университета фотолюминофоры производить просто и безопасно. Для этого потребуется традиционный относительно дешевый твердофазный синтез (в нем используются только твердые реагенты. — Прим. ред.), невысокие температуры и небольшое количество времени. Так, для получения люминофоров навески исходных продуктов перемешивают вручную в агатовых ступках или в лабораторных мельницах, а затем подвергают отжигу в высокотемпературных печах в течение нескольких суток при температуре до 1200 ℃. «Мы уже успешно апробировали этот метод. Его можно также масштабировать и перейти от синтеза в лабораторных условиях к промышленному производству, — говорит Ярослав Бирюков. — Наша методика значительно безопаснее и дешевле тех, что в настоящее время применяются для получения коммерческих люминофоров».
Кроме того, в отличие от существующих соединений новым фотолюминофорам для проявления люминесценции высокой интенсивности нужна низкая концентрация иона-активатора. «Мы доказали это на примере трех соединений. Наибольшую силу свечения и интенсивность люминесценции мы обнаружили именно в составах с меньшим количеством иона-активатора европия, чем у люминофоров-конкурентов», — подчеркивает Римма Сергеевна Бубнова, доктор химических наук, профессор СПбГУ (кафедра кристаллографии), главный научный сотрудник Института химии силикатов имени И. В. Гребенщикова (НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ). Так как реактивы редкоземельных элементов стоят дорого, этот факт также сильно удешевляет производство.
«Важно отметить, что некоторые открытые нами люминофоры имеют высокую цветопередачу. Их координаты цветности близки к значениям люминофора-эталона по признанной во всем мире системе National Television System Committee (NTSC), — отмечает Алексей Валерьевич Поволоцкий, профессор СПбГУ (кафедра лазерной химии и лазерного материаловедения). — Кроме того, посредством изменения концентрации европия цвет свечения ряда наших люминофоров можно менять — с синего на красный».
Интересно. Одно из направлений, которое будет определять рост популярности светодиодов в будущем, — э то исследование технологии Li-Fi для передачи данных посредством света. Источник: raduga-light.com
Почти вместо солнца
Ученые изучали кристаллическое строение, термические и оптические свойства новых люминофоров в ресурсных центрах Научного парка СПбГУ «Рентгенодифракционные методы исследования» и «Оптические и лазерные методы исследования вещества». Исследователи проводили качественный и количественный фазовый рентгенодифракционный анализ люминофоров, сравнивали их с известными отечественными и зарубежными аналогами. Они определяли цвет, длину волны, которая нужна для возбуждения, то есть активации свечения, коэффициент поглощения, время свечения, интенсивность и квантовый выход излучения.
В результате испытаний исследователи установили, что новые соединения устойчивы к агрессивной окружающей среде. Они химически и термически стабильны и не подвержены поверхностным дефектам, например обводнению, то есть насыщению поверхности молекулами воды при изменении влажности в окружающей среде.
«Разработанные нами люминофоры предназначены для полупроводниковых светодиодов. Исходя из того, что они способны работать на протяжении десятков лет, можно сказать, что и новые люминофоры прослужат столько же», — подчеркивает Алексей Поволоцкий.
По словам Риммы Бубновой, еще одним важным в современной обстановке качеством новых фотолюминофоров является их экологичность. Помимо того что при их производстве не нужны токсичные вещества, они не разлагаются на опасные компоненты, поэтому не требуют особых условий утилизации. Также люминофоры могут неоднократно использоваться по назначению, даже если светодиоды, в которых они установлены, выходят из строя.
Кроме того, в условиях нынешней экономической ситуации, ориентации на импортозамещение, новые отечественные оптические материалы — люминофоры для светодиодов — как нельзя кстати. Ведь область их применения сегодня обширна. Так, люминофоры можно использовать для промышленного, бытового, городского, декоративного освещения. Они нужны для производства автомобильной и дорожной светотехники: фар, прожекторов, стоп-сигналов, светодиодных дорожных знаков и светофоров.
Фотолюминофоры востребованы в сельском хозяйстве и растениеводстве, производстве дисплеев для телевизоров, компьютеров, мобильных телефонов и смарт-часов, крупногабаритных светодиодных панелей. Разработанные люминофоры можно использовать в качестве красных компонентов чипов светодиодов, которые, в свою очередь, нужны для разработок в указанных выше сферах.
Как рассказали ученые, некоторые из открытых ими люминофоров обладают свойствами, позволяющими расширить области их применения. Например, использовать их в создании интеллектуального освещения.
Интересно
Редкоземельные элементы расположены в третьей группе Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева (например, лантан, скандий, иттрий и лантаноиды). Важные компоненты оптических и электронных устройств, таких как аккумуляторы и м обильные телефоны. В России находится примерно 17 % мировых запасов редкоземельных элементов.
Щелочноземельные элементы расположены во второй группе главной подгруппы Периодической системы химических элементов Д . И. Менделеева (например, кальций, стронций, барий). В природе встречаются в виде соединений, в основном классов карбонатов (соли угольной кислоты) и сульфатов (соли серной кислоты).
Источник: oblakoz.ru, bigenc.ru
СПбГУ в деле
Как разработка исследователей может быть полезна бизнесу — читайте в материале «Ученые СПбГУ сделают мир электронных устройств еще ярче» на сайте «СПбГУ в деле».
«СПбГУ в деле» — официальный портал старейшего университета России об изобретениях экспертов, ученых, студентов и выпускников СПбГУ в области самых интенсивно развивающихся отраслей экономики. Здесь можно найти новые идеи и продукты д ля развития бизнеса — как его коммерческой составляющей, так и общественно значимой. Подробнее.
Подробнее о том, как люминофоры могут быть использованы в промышленности, читайте на сайте «СПбГУ в деле».
Авторы разработки:
Станислав Константинович Филатов, д. г.-м. н., почетный профессор Санкт-Петербургского университета, профессор СПбГУ (кафедра кристаллографии);
Римма Сергеевна Бубнова, д. х. н., профессор СПбГУ (кафедра кристаллографии), главный научный сотрудник Института химии силикатов имени И. В. Гребенщикова (НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ);
Алексей Валерьевич Поволоцкий, д. ф.-м. н., профессор СПбГУ (кафедра лазерной химии и лазерного материаловедения);
Ярослав Павлович Бирюков, к. х. н., ведущий научный сотрудник Института химии силикатов имени И. В. Гребенщикова (НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ);
Андрей Павлович Шаблинский, к. г.-м. н., ведущий научный сотрудник Института химии силикатов имени И. В. Гребенщикова (НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ).
Фото: Максим Халанский, предоставлено А. В. Поволоцким, предоставлено Я. П. Бирюковым
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl