Ученые из Томского политехнического университета, ТГАСУ и Томского научного центра СО РАН разработали быстрый способ создания многокомпонентной оксидной керамики с длительной люминесценцией.
Как сообщила пресс-служба Минобрнауки РФ порталу Наука Mail, ученые использовали метод дуговой плазмы — благодаря ему керамику на основе оксидов алюминия, магния и стронция (с добавлением оксида европия) удалось получить всего за минуту в одну стадию. Материал показал устойчивую люминесценцию.
Такие материалы накапливают энергию и потом излучают свет — от нескольких минут до десятков часов. Их можно применять в энергоэффективном освещении, в системах аварийной сигнализации, для оптической памяти, в биовизуализации, для защиты от подделок.
Среди материалов с длительной люминесценцией особенно выделяются оксидные керамики с добавками редкоземельных элементов — например, алюминаты стронция. Они отличаются высокой яркостью, устойчивостью к химическим воздействиям и возможностью регулировать излучение.
Принцип их работы основан на «ловушках»: под действием света электроны переходят в активное состояние, попадают в ловушки (которые возникают из‑за дефектов в структуре материала) и постепенно высвобождаются при комнатной температуре — за счет этого и возникает длительное свечение.
При этом длительность и интенсивность свечения зависят не от самих материалов, а от характеристик ловушек — их глубины, плотности и распределения, которые сильно зависят от условий синтеза.
Раньше подобные материалы делали в специальных печах: их долго нагревали до очень высоких температур (1300−1500°С) в особых условиях. Печи дорогие, сложные в эксплуатации и требуют строгого соблюдения мер безопасности. Новый метод значительно проще и быстрее.
Результаты исследования опубликованы в журнале Ceramics International (Q1, IF: 5.6).
Ученые предлагают в качестве альтернативы метод дугового плазменного синтеза, который уже показал потенциал для получения структурной и люминесцентной керамики. Его преимущества: одностадийность, обработка длится менее нескольких минут, быстрое гашение (сохраняет неравновесные конфигурации дефектов для создания ловушек с заданными архитектурами), эффективное перемешивание многокомпонентных систем (обеспечивает фазовую чистоту и однородное легирование). Однако для синтеза многофазных материалов с длительной люминесценцией этот метод 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 нанесения 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.
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.
Ученые провели фазовый анализ и определили количественный фазовый состав, а также изучили спектры отражения, фотовозбуждения и фотолюминесценции образцов многокомпонентной люминесцентной керамики. Кроме того, для оценки технологического потенциала материала приготовили пасту для трафаретной печати и нанесли ее на подложку из нитрида алюминия, после чего использовали полученные образцы для лазерной гравировки изображения.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что ученый рассказал, как новые материалы меняют промышленность России.
