Новый наноматериал открывает широкие перспективы для светотехники

Сотрудники Уральского федерального университета имени первого президента России Б.Н. Ельцина, Института химии твёрдого тела УрО РАН и Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН (Екатеринбург) разработали новый наноматериал на основе высокоэнтропийного оксида, содержащего атомы иттрия, европия, гадолиния, лантана и эрбия.

Этот материал обладает ярким красно-оранжевым свечением и высокой стабильностью при повышенных температурах, что открывает широкие перспективы для его применения в светотехнических устройствах, таких как светодиоды, биомаркеры и устройства для передачи информации и преобразования энергии. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Journal of Alloys and Compounds.

Высокоэнтропийные материалы, состоящие из пяти или более химических элементов в равных долях, представляют значительный интерес для создания излучающих элементов, аккумуляторов, катализаторов и тепловых барьерных покрытий. Оксиды редкоземельных металлов, таких как иттрий, европий, гадолиний, лантан и эрбий, способны люминесцировать в зелёном и красном диапазонах, что делает их перспективными для использования в светодиодных осветителях и преобразователях света.

Их структура обеспечивает высокую стабильность, поскольку комбинация различных атомов затрудняет образование дефектов, снижающих эффективность материала. Однако до сих пор остаётся не до конца изученным, как структура соединения, условия его синтеза и наличие примесей влияют на оптические свойства, что ограничивает применение высокоэнтропийных оксидов.

Авторы исследования синтезировали высокоэнтропийный оксид методом совместного осаждения, при котором из растворов осаждаются гидроксиды необходимых металлов. Полученный осадок нагревали при температурах от 200 °C до 680 °C в течение двух часов. Эксперименты показали, что оптимальная температура синтеза составляет 680 °C, при которой нанопорошки переходят из аморфного состояния в кристаллическое, что обеспечивает равномерное распределение ионов и улучшает оптические свойства материала. При этом увеличивается ширина запрещённой зоны, что повышает прозрачность материала, а свечение становится интенсивнее более чем в четыре раза.

Разработанный материал демонстрирует устойчивость к высоким температурам и длительному использованию, что выгодно отличает его от современных светодиодов, яркость которых снижается при нагревании и длительной эксплуатации. Высокоэнтропийные оксиды также позволяют точнее регулировать спектральные характеристики устройств. Например, в данном исследовании наблюдалось изменение цвета люминесценции от оранжевого к насыщенно-красному при повышении температуры.

По словам участницы проекта Юлии Кузнецовой, кандидата физико-математических наук и старшего научного сотрудника Физико-технологического института Уральского федерального университета, синтезированные материалы могут быть использованы для создания новых типов оптоэлектронных устройств, способных работать в экстремальных условиях.

Руководитель проекта Евгений Бунтов, кандидат физико-математических наук и старший научный сотрудник кафедры физических методов и приборов контроля качества Уральского федерального университета, отметил, что материал может найти применение в светодиодах нового поколения с улучшенной яркостью и долговечностью, ультрафиолетовых излучателях для медицинских и промышленных целей, а также в биомедицинских устройствах, таких как датчики и диагностическое оборудование. В будущем планируется адаптировать свойства материала для создания приборов, работающих в инфракрасном и видимом диапазонах, что расширит его потенциальное применение.