Ученые Томского политехнического университета вместе с коллегами из ТГАСУ и Томского научного центра СО РАН применили метод дуговой плазмы для синтеза многокомпонентной оксидной керамики с длительной люминесценцией. Он позволил в одну стадию и за минуту получить многофазную керамику на основе оксидов алюминия, магния и стронция, легированных оксидом европия, продемонстрировавшую устойчивую люминесценцию. Полученные результаты открывают новые перспективы для синтеза многофазных материалов для различных применений, например, для энергоэффективного освещения и аварийных сигнализаций.
Результаты исследования опубликованы в журнале Ceramics International (Q1, IF: 5.6).
Материалы с длительной люминесценцией, способные накапливать энергию возбуждения и высвобождать ее в виде видимого света в течение разных промежутков времени — от нескольких минут до десятков часов, крайне перспективны для использования в технологиях аварийной сигнализации, оптической памяти, биовизуализации, энергоэффективного освещения и защиты от подделок. Среди уже известных материалов с длительной люминесценцией выделяют оксидные керамики, легированные редкоземельными элементами, в частности, алюминатами стронция, благодаря их исключительной яркости, химической стабильности и регулируемому излучению. Они работают по принципу ловушек: при фотовозбуждении электроны переходят в зону проводимости, захватываются ловушками, вызванными дефектами, и медленно высвобождаются при комнатной температуре. При этом длительность и интенсивность послесвечения не являются внутренними свойствами материала, а в значительной степени зависят от глубины, плотности и распределения этих параметров ловушек, которые очень чувствительны к условиям синтеза.
Традиционно подобные материалы получают, применяя длительный высокотемпературный (1300 – 1500 °С) синтез в восстановительной атмосфере. Для его проведения используют специальные печи — часто дорогие, сложные в эксплуатации и требующие соблюдения строгих мер безопасности.
В качестве потенциальной альтернативы ученые предлагают использовать метод дугового плазменного синтеза, который уже продемонстрировал свой потенциал для получения структурной и люминесцентной керамики. Так, среди его преимуществ — одностадийность, длительность обработки составляет менее нескольких минут, быстрое гашение, сохраняющее неравновесные конфигурации дефектов, позволяющие создавать ловушки с заданными архитектурами, эффективное перемешивание многокомпонентных систем, обеспечивающее фазовую чистоту и однородное легирование. Но для синтеза многофазных материалов с длительной люминесценции он еще не применялся.
«Метод дуговой плазмы позволил быстро, за 60 секунд, в один этап получить многофазную люминесцентную керамику на основе оксидов алюминия, магния и стронция, цинка, легированных оксидом европия. Кроме того, метод обеспечивает необходимые восстановительные условия для стабилизации европия без использования внешней восстановительной атмосферы или постобработки. Для синтезированной керамики характерно интенсивное широкополосное поглощение в УФ-синей области спектра с длительным временем затухания при более высоких уровнях легирования активатора, что указывает на образование более глубоких дефектных ловушек. Также практическая применимость синтезированных керамических люминофоров была продемонстрирована путем нанаесения слоев люминофора методом трафаретной печати на подложках из нитрида алюминия, которые показали яркое и равномерное зеленое излучение при УФ-возбуждении. Лазерная гравировка нанесенных слоев позволила сформировать произвольный рисунок, что подчеркивает потенциал полученного люминесцентного материала для использования, например, в системах безопасности, вывесках и дисплейных технологиях»,
— говорит доцент отделения материаловедения Инженерной школы новых производственных технологий ТПУ Дамир Валиев.
«В данной работе метод дуговой плазмы использовали для синтеза многокомпонентной оксидной керамики на основе порошков оксидов алюминия, цинка, магния, стронция и европия. Синтез проводили с использованием установки, разработанной в ТГАСУ для плазменного плавления тугоплавких материалов. Образец помещали в графитовый тигель и подвергали воздействию потока плазмы в течение 60 секунд. В результате был получен объемный поликристаллический образец», — добавляет ведущий научный сотрудник учебно-научной лаборатории «Наноматериалы и нанотехнологии» ТГАСУ Валентин Шеховцов.
Затем были проанализированы фазовый анализ и количественный фазовый состав, спектры отражения, фотовозбуждения и фотолюминесценции полученных образцов многокомпонентной люминесцентной керамики. Кроме того, для оценки потенциала синтезированного материала для технологических применений была приготовлена паста для трафаретной печати, которую нанесли на подложку из нитрида алюминия. Полученные образцы использовали для лазерной гравировки изображения.