Ученые ФИЦ «Институт катализа СО РАН» оптимизировали методику получения красных нанолюминофоров — люминесцентного материала для различных источников света и биовизуализации. Они применили направленный дизайн и выяснили, что добавка 30 % кислорода в процесс синтеза позволяет повысить квантовый выход, отвечающий за яркость, практически до 70 %.

Нанолюминофор — наноматериал, преобразующий поглощаемую энергию в световое излучение в какой-либо области видимого спектра. Для источников теплого белого света востребованы красные люминофоры, синтезом которых занимаются ученые ФИЦ «Институт катализа СО РАН». Одна из ключевых характеристик этого вещества — квантовый выход. Он отображает отношение количества испускаемых фотонов к количеству поглощенных фотонов и отвечает за яркость. Ученые применили контролируемый дизайн и рассчитали оптимальное количество кислорода для процесса получения соединения — доля в 30 % позволила повысить квантовый выход до рекордных на сегодня 69 %.

Для синтеза нанолюминофора используют микропорошки оксида иттрия с добавленными в него ионами европия — делают мишень, а затем испаряют материал в газовой среде аргона под воздействием лазера. В кристаллической структуре исходного соединения есть дефекты — кислородные вакансии. Из-за них увеличивается затрачиваемая на люминесценцию энергия. Кроме того, они излучают синий, а не красный свет.

Решить проблему дефектов помогла добавка в газовую среду кислорода. Ученые определили, что оптимальная доля — 30 %, но даже небольшая добавка кислорода позволяет улучшить стехиометрический состав наноматериала.

«У оксидных люминофоров есть глобальная проблема, которая существенно препятствует их широкому применению. Это нарушение определенного соотношения элементов, или стехиометрии, в кристаллической решетке. Их структура не такая идеальная, как описано в учебниках. В оксиде иттрия на два атома иттрия номинально приходится три атома кислорода, но в реальности кислород в некоторых местах отсутствует. Эти вакансии поглощают энергию и излучают не в красной, а синей области. Из-за этого снижается эффективность люминесценции и меняется цвет излучения. Зная это, мы использовали оптимальное соотношение кислорода в 30 %, приблизили стехиометрический состав к номинальному и повысили квантовый выход почти до 70 %», — рассказывает автор исследования, младший научный сотрудник отдела гетерогенного катализа ИК СО РАН Александр Нашивочников. 

Коллоидные растворы наночастиц оксида иттрия с европием и без него под ультрафиолетом

По его словам, предложенный подход может пригодиться другим научным коллективам, которые занимаются люминофорами: главный вывод — при синтезе оксидных нанолюминофоров в первую очередь необходимо решать проблему стехиометрии путем направленного дизайна. Традиционный метод — применение постобработки, когда уже готовый оксид обрабатывают на воздухе кислородом, — дает квантовый выход всего в 25 %.

У красных нанолюминофоров широкий спектр применения — от микроэлектроники до биовизуализации, которую используют для диагностики заболеваний. В Институте катализа СО РАН создают приложения для исследований физических свойств этих наноматериалов — светодиоды, симпатические, или невидимые, чернила, а также тестируют измерение температуры с помощью люминесценции.

«Мы выбрали нужные компоненты для светодиода и методику. Скоро мы начнем его сборку, а затем исследования. Нам надо показать, что наши нанолюминофоры хорошо проявляют себя как компонент реального светодиодного устройства. Что касается невидимых чернил, то мы изготовили несколько образцов и подтвердили их стабильность. Ещё мы испытываем возможность применения наших соединений для задач оптической термометрии — измерения температуры с помощью люминесценции. Этот метод востребован для работы в жестких экстремальных средах, где измерение традиционными методами затруднено», — говорит Александр Нашивочников.