Химики синтезировали новый вид неорганических люминофоров — веществ, способных преобразовывать поглощаемую энергию в свечение, — на основе боратов висмута, стронция и европия. Исследователи установили структуру новых соединений, а также их оптические и люминесцентные свойства. Оказалось, что бораты испускают свет в красном диапазоне, используемом в светодиодных лампах, благодаря чему эти люминофоры можно использовать при производстве осветительных приборов. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Solid State Sciences.
Неорганические светящиеся соединения — люминофоры — широко используются в светодиодных лампах, которые хороши тем, что при работе практически не нагреваются, а также имеют меньший размер и более яркое излучение, чем лампы накаливания. Кроме того, светодиоды экономичнее в эксплуатации и гибче в применении, а срок их службы больше. Для коммерческого применения к веществам-люминофорам предъявляют целый ряд требований. Они должны быть устойчивы к воздействию различных химических веществ, перепадам температур, обладать высокой эффективностью свечения, длительным сроком службы, при этом их получение не должно быть сложным.
В настоящее время перспективной основой для создания неорганических люминофоров считаются бораты — соли борной кислоты. Эти соединения химически и термически стабильны, а для их синтеза достаточно относительно невысоких температур (600–1000°С). При этом атомы бора могут образовывать различные по геометрии неорганические комплексы — линейные, треугольные, тетраэдрические, — за счет чего можно получать целый ряд различных кристаллических структур.
Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург) и Института химии силикатов имени И.В. Гребенщикова (Санкт-Петербург) синтезировали смешанные бораты стронция, висмута и европия с различным соотношением числа атомов висмута и европия в молекуле. Для этого порошки карбоната стронция, борной кислоты и оксидов висмута и европия спекали при температурах 650–900°С. При таком взаимодействии реакция происходила за счет диффузии — взаимного проникновения частиц одного вещества в другое.
Ученые определили структуру полученных боратов методом монокристальной рентгеновской дифракции, при котором рентгеновские лучи преломляются на монокристалле синтезированного соединения. Этот метод позволил установить взаимное расположение атомов в боратах и длины химических связей.
Кроме того, исследователи проанализировали оптические и люминесцентные свойства полученных соединений. Оказалось, что самым ярким излучением обладает соединение, в котором атомов висмута в три раза больше, чем атомов европия. Когда ионов европия становится больше, эффективность излучения уменьшается, что связано с изменением кристаллического строения вещества.
Помимо этого, спектры свечения авторы использовали, чтобы определить координаты полученных боратов в цветовом пространстве CIE. Цветовое пространство CIE — это модель кодировки цвета, где каждый цвет имеет определенные координаты. Такая модель кодировки цвета используется в компьютерной индустрии, телевидении и промышленности. Координаты исследуемых соединений совпали с коммерческим стандартом красного люминофора, используемого в различных осветительных приборах.
«Полученные результаты показывают, что синтезированные в ходе исследования люминофоры — перспективные кандидаты для применения в светодиодных лампах, поскольку они достаточно просты в получении, а их характеристики схожи с коммерческим стандартом красного люминофора», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Станислав Филатов, доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры кристаллографии СПбГУ.
***
Больше результатов исследований грантополучателей Российского научного фонда и актуальных новостей из мира науки доступны в социальных сетях РНФ Вконтакте и Телеграм