МОСКВА, 3 ноября. /ТАСС/. Специалисты Кольского научного центра РАН с коллегами из других институтов предложили редкий минерал арктит в качестве прототипа для создания люминофоров и светодиодов нового поколения, сообщили в пресс-службе Минобрнауки России.
"Коллектив исследователей впервые детально описал сложную кристаллическую структуру редкого минерала арктита. Ученым удалось уточнить атомную архитектуру минерала и установить, что его термостойкая кристаллическая решетка эффективно преобразовывает ультрафиолетовое излучение в видимый свет. Благодаря этому минерал рассматривается как инженерный прототип для синтеза искусственных люминофоров, необходимых для современных светодиодов и лазерных технологий", - отметили в пресс-службе.
Арктит - минерал, встречающийся только в Хибинском массиве на Кольском полуострове, это редкий фосфат кальция, натрия и бария. Более 40 лет он считался минералогической редкостью, известной лишь по единичным находкам. Поводом для нового масштабного исследования стала неожиданная находка осенью 2022 года: при обследовании отвалов горных пород, извлеченных из Юкспоррского массива с помощью портативного источника ультрафиолета, были обнаружены многочисленные зерна этого минерала, обладающие яркой голубой люминесценцией.
Чтобы точно установить природу центров люминесценции и механизмы передачи энергии в этой сложной матрице, потребовалось заново исследовать кристаллическую структуру минерала с привлечением комплекса современных аналитических методов. Применив рентгеноструктурный анализ, электронную микроскопию, а также инфракрасную и рамановскую спектроскопию, авторы работы точно определили, как именно атомы различных химических элементов заселяют позиции в кристаллической структуре.
Особая решетка
Известно, что арктит относится к семейству антиперовскитов - материалов с особой, очень прочной кристаллической решеткой. Эта структура состоит из чередующихся слоев: одни образованы крупными икосаэдрами (двадцатигранниками) бария, связанными через фосфатные тетраэдры, другие содержат анион-центрированные тримеры. Такая плотная и жесткая упаковка атомов обеспечивает минералу высокую термостабильность, позволяя выдерживать нагрев до 500 градусов без разрушения решетки.
Одним из наиболее интересных результатов стало обнаружение в исследованном образце ранее не отмеченных для арктита компонентов, содержащих водород. В структуре установлено присутствие гидроксильных и гидрофосфатных групп, а также положительно заряженных ионов водорода.
Детальное изучение люминесценции подтвердило, что голубое свечение под действием ультрафиолета обеспечивают изоморфные примеси редкоземельных элементов - ионов церия и самария. Ионы церия работают как сенсибилизаторы: они эффективно поглощают энергию и передают ее ионам самария, заставляя их светиться.
Арктит представляет собой своеобразный готовый инженерный прототип. Когда ученые полностью расшифровали природный "чертеж" прочного кристаллического каркаса и механизмы передачи энергии внутри него, появилась возможность перенести его в лабораторию и наладить создание синтетических аналогов. Такие искусственные люминофоры могут стать основой для нового поколения сверхъярких и термостойких оптических материалов.