В оптоэлектронике и производстве светодиодов важно эффективнее преобразовывать излучение люминесцентных материалов. Порошковые люминофоры хорошо справляются с этой задачей, но у них есть минусы: они слабо отводят тепло и со временем разрушаются. Керамика лишена этих недостатков, но в ней теряется много света — он отражается внутри из‑за гладкой поверхности. Как сообщила пресс-служба Минобрнауки РФ порталу Наука Mail, ученые из ТПУ нашли способ обойти проблему: они разработали технологию постобработки светящейся керамики — ее поверхность механически модифицируют, чтобы уменьшить потери света. Исследование поддержано РНФ (грант № 21−73−10100). Результаты работы опубликованы в журнале Ceramics International (Q1, IF: 6).
Существующие подходы, такие как химическое травление, плазменная обработка, либо требуют агрессивных реагентов и специального оборудования, либо изменяют состав поверхности. Мы предложили альтернативу: механическую модификацию поверхности, которая не меняет состав материала, но позволяет управлять его оптическим откликом. При этом ранее влияние механической шероховатости на люминесценцию изучалось преимущественно для однослойных керамик. Наша работа — первое систематическое исследование свойств функционально-градиентной керамической структуры.
Ученые получили образцы функционально-градиентной керамики на основе диоксида циркония (стабилизированного иттрием) и иттрий-алюминиевого граната, активированных ионами церия и европия. Поверхность обрабатывали карбид-кремниевой наждачной бумагой разной зернистости.
Эксперименты показали, что шероховатость поверхности можно точно регулировать, причем реакция на обработку сильно зависит от состава и микроструктуры материала. Например, для композита с церием увеличение шероховатости до 0,83 мкм повысило эффективность фотолюминесценции с 20% до 24% — благодаря крупнозернистой микроструктуре.
Установлено, что крупнозернистые абразивы эффективно удаляли нелюминесцентный, механически поврежденный поверхностный слой, образовавшийся в процессе изготовления, не повреждая крупные, глубоко внедренные люминесцентные центры церия. В результате восстанавливался доступ к неповрежденным активным областям, что увеличивало общую светоотдачу. Таким образом, абразивная обработка поверхности служит высокоэффективным методом постобработки для оптимизации оптических характеристик этой керамической системы.
В мелкозернистых материалах с европием механическая обработка не ухудшает люминесценцию — при обычных нагрузках и эксплуатации ее свойства остаются стабильными. Но и улучшить характеристики за счет изменения поверхности не удается.
Это подчеркивает критическую роль микроструктуры, особенно размера зерен, в определении реакции люминесцентной керамики на механическую обработку поверхности. Представленные здесь результаты дают важные рекомендации по рациональному проектированию технологических протоколов при разработке высокоэффективной люминесцентной керамики и функционально-градиентных компонентов для передовых применений в оптоэлектронике.
В исследованиях принимали участие сотрудники Научно-образовательного инновационного центра «Наноматериалы и нанотехнологии» и Инженерной школы новых производственных технологий Томского политеха.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что новый метод позволил многократно усилить люминесценцию материалов.