Ученые Уральского федерального университета с тюменскими и красноярскими коллегами разработали новый метод синтеза люминофора на основе оксисульфида гадолиния, легированного церием и тербием. Этот яркий и стабильный материал по полученным характеристикам превосходит аналоги и является перспективным для импортозамещения в авиационной технике, медицинских томографах, системах таможенного досмотра, разведке нефтяных месторождений и других областях, где требуются детекторы рентгеновского и гамма-излучения. Исследование поддержано Минобрнауки России (проект № FEWZ-2024-0052) и опубликовано в журнале Chemistry Europe.
«Использованная в нашей работе технология получения наночастиц оксидов и оксисульфидов редкоземельных элементов позволяет значительно уменьшить их размер по сравнению с традиционными методами синтеза, при этом одновременно добиться высокого уровня их однородности и стабильности. Благодаря этому квантовый выход и интенсивность свечения люминофора возросли более чем на 50 %. Эти результаты показали, что размерный фактор, наряду с электронно-энергетическими характеристиками, играет существенную роль в управляемом синтезе новых оптоэлектронных материалов», — подчеркнул Дмитрий Бирюков, соавтор исследования, администратор исследовательской лаборатории «Гибридные технологии и метаматериалы» УрФУ.
Оксисульфиды редкоземельных элементов являются хорошими матрицами для люминесцентных материалов из-за их высокой термической и химической стабильности, низкой токсичности и высокой эффективности свечения. Главную роль в свечении играют ионы тербия, дающие интенсивное зеленое излучение при длине волны 538 нм, свечение церия при этом значительно слабее.
«Зеленое свечение является наиболее благоприятным для человеческого глаза, который обладает максимальной чувствительностью в этом диапазоне спектра. Важно, что оксисульфид гадолиния — это матрица. Спектр ее свечения можно изменить, внося добавки других редкоземельных элементов. Если потребуются красные или синие источники света, их можно получить, используя ту же технологию. При этом источники света в красном или синем спектральном диапазоне при одинаковой интенсивности свечения субъективно будут восприниматься человеком как более тусклые по сравнению с зеленым люминофором», — пояснил Дмитрий Зацепин, соавтор работы, старший научный сотрудник лаборатории «Физика функциональных материалов углеродной микро- и оптоэлектроники» УрФУ.
Ученые отмечают, что при непрерывной работе данные люминофоры не деградируют, поскольку воздействие ионизирующего излучения и процессы, сопровождающие эти воздействия, не приводят к изменению микроструктуры и функциональных свойств этого вещества. В настоящее время еще недостаточно изучено влияние других факторов, таких как влажность воздуха, на стабильность соединения, поэтому ученые планируют детально исследовать гигроскопичность материала, чтобы определить его устойчивость к подобным воздействиям. При этом исследователи утверждают, что в сухой атмосфере или при наличии влагонепроницаемой оболочки данные люминофоры обладают очень высокой долговечностью и стабильностью физических характеристик.
В планах ученых — детальное исследование реакции материала к экстремальным условиям эксплуатации и эффективности механизмов преобразования поглощаемой энергии излучений в ходе ее миграции между ионами церия и тербия. Это необходимо для последующей оптимизации функциональных характеристик материала при решении задач в конкретных сферах практического использования.
Справка
В настоящее время люминесцентные материалы широко используются во многих системах обнаружения, предназначенных для таких областей, как медицинская визуализация, системы таможенного досмотра, разведка нефтяных месторождений и других. Оксисульфиды редкоземельных элементов являются хорошими матрицами для люминесцентных материалов из-за их высокой термической, радиационной и химической стабильности, низкой токсичности и хорошей сенсибилизации к ионам трехвалентного лантаноида, что обеспечивает высокую эффективность свечения. Благодаря этому они могут эффективно использоваться в преобразователях и источниках света и, по мере необходимости, заменять любые зарубежные аналоги. Разработка отечественных высокоэффективных люминофоров — стратегическая задача для обеспечения независимости российского приборостроения в ключевых отраслях.