Международный коллектив ученых из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Российского химико-технологического университета им Д.И. Менделеева, Университета Кан-Нормандия (Франция) и Чешского технического университета в Праге (Чехия) разработал новые уникальные люминофоры на основе стекол в системе хлорид свинца – диоксид теллура, активированных ионами редкоземельных металлов. Исследование открывает новые возможности для потенциального применения разработанных стекол для дизайна инфракрасных материалов и волоконно-оптических устройств для медицины и электроники (лазеры, усилители). Результаты работы опубликованы в Journal of Non-Crystalline Solids.
Стекла на основе диоксида теллура (теллуритные стекла) — это уникальные материалы с нелинейными оптическими свойствами, которые во много раз превосходят силикатные стекла, а также обладают высокой прозрачностью в инфракрасном диапазоне и электропроводностью, что делает их востребованными в оптике, электронике и для защиты от радиации. Их получают, смешивая диоксид теллура с оксидами других металлов. Например, смесь с оксидом молибдена позволяет получить устойчивые стеклообразные структуры с заданными свойствами. К преимуществам таких стекол относятся химическая стойкость, термическая стабильность, относительно низкие энергии фононов (около 800 см⁻¹), широкий диапазон пропускания и хорошая растворимость соединений редкоземельных элементов. Введение оксидов и галогенидов тяжелых металлов MexXy (где Me = цинк, молибден, кадмий, сурьма, барий, свинец, висмут, а X = фтор, хлор, бром и йод) в состав стекла значительно повышает прозрачность как в ультрафиолетовом, так и в инфракрасном диапазонах спектра, а также улучшает эффективность люминесценции редкоземельных активаторов. В то время, как оксидные и оксофторидные системы активно изучались в качестве люминесцентных и лазерных сред, оксохлоридные системы остаются относительно малоизученными. Несмотря на большой потенциал введения хлорида свинца в качестве модификатора в матрицу теллуритных стекол для улучшения люминесцентных характеристик в среднем инфракрасном-диапазоне, какие-либо исследования спектрально-люминесцентных свойств таких стекол в спектральном диапазоне 2–3 мкм не известны. Одной из причин является сложность синтеза оксохлоридных стёкол ввиду склонности к пирогидролизу (высокотемпературный распад неорганических веществ под действием водяного пара) и большого количества остаточных гидроксильных-групп, которые тушат люминесценцию.
Ученые из России, Франции и Чехии впервые синтезировали и подробно изучили спектрально-люминесцентные свойства системы хлорид свинца – диоксид теллура легированные ионами редкоземельных металлов тулия, эрбия и гольмия (PbCl2-TeO2-ReF3, где Re = Tm, Er, Ho). Исследование прокомментировала заведующая Лабораторией высокочистых веществ ИОНХ РАН, доктор химических наук Мария Николаевна Бреховских: «За счёт грамотного подбора условий синтеза методом закаливания расплава удалось избежать пирогидролиза хлорида свинца и получить стёкла с небольшим содержанием остаточных гидроксильных-групп. Введение галогенидного модификатора (фтор, хлор, бром и йод) позволяет уменьшить энергию фононов матрицы, что важно для люминесценции редкоземельных-ионов в коротковолновом инфракрасном диапазоне спектра. Благодаря низкой энергии фононов эта система особенно подходит для генерации лазерного излучения в диапазоне длин волн 2–3 мкм, широко применяемом в медицине (терапия, хирургия). Предложенные стёкла продемонстрировали исключительные спектрально-люминесцентные характеристики: времена жизни возбуждённых состояний ионов тулия, эрбия и гольмия (Tm3+, Er3+ и Ho3+) существенно больше, чем у аналогичных оксидных и оксофторидных стёкол (например, системы оксидов цинка и натрия с диоксидом теллура (ZnO-Na2O-TeO2), фторида бария с диоксидом теллура (BaF2-TeO2)). Это является преимуществом для потенциального применения в оптических усилителях. Важно отметить, что в этом исследовании люминесценция в диапазоне 2- 3 мкм получена и подробно охарактеризована впервые для стёкол, содержащих хлорид свинца (PbCl2)».
По словам исследователей, представленное комплексное исследование синтезированных оксохлоридных теллуритных стекол, легированных ионами редкоземельных металлов, показало их исключительные преимущества для фотонных технологий (медицина, электроника), по сравнению с другими типами применяемых стёкол. В дальнейшем авторы планируют вытягивание оптических волокон на основе исследованных стёкол.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках государственного задания ИОНХ РАН.
Источник: D. Butenkov, A. Vasilenkova, A. Bakaeva, K. Runina, P. Strekalov, K. Veselský, P. Loiko, A. Braud, M. Brekhovskikh, O. Petrova. Synthesis and optical spectroscopy of oxychloride lead tellurite glasses doped with Tm3+, Er3+ and Ho3+ ions. Journal of Non-Crystalline Solids. V. 670, 123830. DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2025.123830. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2025.123830