Ученые синтезировали наноматериалы для инновационных светодиодов

Ученые создали наноматериал, который открывает широкие перспективы для светотехнических устройств. Материал на основе оксида, содержащего атомы иттрия, европия, гадолиния, лантана и эрбия, отличается ярким красно-оранжевым свечением и стабильностью при высоких температурах. Это вещество может найти применение в светодиодах, биомаркерах и устройствах, использующих свет для передачи информации и преобразования энергии. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Journal of Alloys and Compounds.

Соединения, состоящие из пяти или более химических элементов в равных долях — так называемые высокоэнтропийные материалы, — перспективны для создания излучающих элементов, аккумуляторов, катализаторов, тепловых барьерных покрытий и многих других применений. Так, например, материалы, включающие оксиды редкоземельных металлов, таких как иттрий, европий, гадолиний, лантан и эрбий, способны светиться (люминесцировать) в зеленом и красном диапазонах, благодаря чему могут служить основой для светодиодных осветителей и преобразователей света. Их структура обеспечивает высокую стабильность, так как комбинация различных атомов затрудняет образование дефектов, которые могут снизить эффективность материала. Однако до сих пор остается не понятным, как именно от структуры соединения, а также условий его синтеза и наличия примесей зависят оптические свойства. Это ограничивает применение высокоэнтропийных оксидов.

Ученые из Уральского федерального университета (Екатеринбург), Института химии твердого тела УрО РАН (Екатеринбург) и Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН (Екатеринбург) синтезировали высокоэнтропийный оксид, содержащий атомы иттрия, европия, гадолиния, лантана и эрбия с помощью метода совместного осаждения. Это химический процесс, при котором из растворов осаждают гидроксиды нужных металлов. Для получения оксида этот осадок нагревали при температурах от 200℃ до 680℃ в течение двух часов.

Эксперимент показал, что оптимальная температура синтеза — 680℃. В этих условиях нанопорошки переходили из аморфного состояния (с хаотично расположенными атомами) в кристаллическое (с регулярной структурой и упорядоченной атомной решеткой). Эта структура обеспечила равномерное распределение ионов, что улучшило оптические свойства. Вместе с этим переходом увеличилась ширина запрещенной зоны — улучшилась прозрачность материала. Повышение температуры синтеза позволило сделать свечение интенсивнее более чем в 4 раза.

Ученые подчеркивают, что синтезированные материалы позволят создавать новые типы оптоэлектронных устройств, способных работать в экстремальных условиях. Так, яркость современных светодиодов снижается при нагревании, кроме того, они «выцветают» при длительном использовании.

«Высокоэнтропийные оксиды демонстрируют устойчивость к этим факторам благодаря своей уникальной структуре. Кроме того, они позволяют точнее регулировать спектральные характеристики устройства. Например, в данном исследовании наблюдалось изменение цвета люминесценции от оранжевого к насыщенно-красному при повышении температуры», — комментирует участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Юлия Кузнецова, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Физико-технологического института Уральского федерального университета.

«Разработанный материал может использоваться в светодиодах нового поколения с улучшенной яркостью и долговечностью, ультрафиолетовых излучателях для медицинских и промышленных приложений и биомедицинских устройствах, таких как датчики и диагностическое оборудование. В будущем мы планируем адаптировать свойства материала для создания приборов, работающих в инфракрасном и видимом диапазонах, чтобы расширить его потенциальное применение», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Евгений Бунтов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник кафедры физических методов и приборов контроля качества Уральского федерального университета.