Томские ученые разработали метод, позволяющий за минуту синтезировать люминесцентную керамику
Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) вместе с коллегами из ТГАСУ и Томского научного центра СО РАН применили метод дуговой плазмы для синтеза многокомпонентной оксидной керамики с длительной люминесценцией. Он позволил в одну стадию, за одну минуту получить многофазную керамику на основе оксидов алюминия, магния и стронция, легированных оксидом европия, продемонстрировавшую устойчивую люминесценцию. Полученные результаты открывают новые перспективы для синтеза многофазных материалов для различных применений, например, для систем энергоэффективного освещения и аварийных сигнализаций.
Материалы с длительной люминесценцией способны накапливать энергию возбуждения и высвобождать ее в виде видимого света в течение разных промежутков времени. Среди уже известных таких материалов — оксидные керамики, легированные редкоземельными элементами, обладающие исключительной яркостью, химической стабильностью и возможностью регулирования излучения. Они работают по принципу ловушек: при фотовозбуждении электроны переходят в зону проводимости, захватываются ловушками, вызванными дефектами, и медленно высвобождаются при комнатной температуре. При этом длительность и интенсивность послесвечения не являются внутренними свойствами материала, а в значительной степени зависят от параметров этих ловушек — глубины, плотности и распределения, которые очень чувствительны к условиям синтеза.
Традиционно подобные материалы получают, применяя длительный высокотемпературный (1300 – 1500 °С) синтез в восстановительной атмосфере. Для его проведения используют специальные печи — часто дорогие, сложные в эксплуатации и требующие соблюдения строгих мер безопасности.
В качестве потенциальной альтернативы авторы предложили использовать метод дугового плазменного синтеза, который уже продемонстрировал свой потенциал для получения структурной и люминесцентной керамики. Среди его преимуществ — одностадийность (длительность обработки составляет минуты); быстрое гашение, сохраняющее неравновесные конфигурации дефектов и позволяющие создавать ловушки с заданными архитектурами; эффективное перемешивание многокомпонентных систем, обеспечивающее фазовую чистоту и однородное легирование. Но для синтеза многофазных материалов с длительной люминесценции он 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», — рассказал один из авторов исследования, доцент отделения материаловедения Инженерной школы новых производственных технологий ТПУ Дамир Валиев.
«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», — добавил еще один автор, ведущий научный сотрудник учебно-научной лаборатории «Наноматериалы и нанотехнологии» ТГАСУ Валентин Шеховцов.
Ученые проанализировали фазовый и количественный состав, спектры отражения, фотовозбуждения и фотолюминесценции полученных образцов. Кроме того, для оценки потенциала синтезированного материала для технологических применений была приготовлена паста для трафаретной печати, которую нанесли на подложку из нитрида алюминия. Полученные образцы использовали для лазерной гравировки изображения.