В Екатеринбурге создали наноматериал для ярких и долговечных светодиодов

Наноматериал, который открывает широкие перспективы для создания более ярких и "невыцветающих" светотехнических устройств, создали ученые из Екатеринбурга. По их данным, 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 в зеленом и красном диапазонах. Благодаря этому они могут служить основой для диодных светильников и преобразователей света.
Особенности структуры обеспечивают высокую стабильность этих материалов, так как комбинация различных атомов затрудняет образование дефектов, которые могут снизить эффективность материала. Однако до сих пор ученые не знают, как именно от структуры соединения, а также условий его синтеза и наличия примесей зависят его оптические свойства. Из-за этого применение высокоэнтропийных оксидов остается ограниченным.
Ученые из Уральского федерального университета, Института химии твердого тела УрО РАН 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 два часа нагревали при температурах от 200 ℃ до 680 ℃. 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.
Новый материал отличается ярким красно-оранжевым свечением и стабильностью при высоких температурах. Повышение температуры синтеза позволило сделать свечение интенсивнее более чем в четыре раза. По мнению исследователей, на его основе можно будет создавать новые типы оптоэлектронных устройств, способных работать в экстремальных условиях.
«
"Дело в том, что яркость современных светодиодов снижается при нагревании, кроме того, они "выцветают" при длительном использовании. Высокоэнтропийные оксиды демонстрируют устойчивость к этим факторам, благодаря своей уникальной структуре. Также они позволяют точнее регулировать спектральные характеристики устройства. Например, мы наблюдали изменение цвета свечения от оранжевого к насыщенно-красному при повышении температуры", — рассказала участница проекта, поддержанного грантом РНФ, старший научный сотрудник Физико-технологического института УрФУ Юлия Кузнецова

Разработанный материал может использоваться в светодиодах нового поколения с улучшенной яркостью и долговечностью, сообщил руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, старший научный сотрудник кафедры физических методов и приборов контроля качества УрФУ Евгений Бунтов.
"Разработка также сможет применяться в ультрафиолетовых излучателях для медицинских и промышленных приложений и в биомедицинских устройствах, таких как датчики и диагностическое оборудование", — отметил он.
Чтобы расширить область потенциального применения нового материала, в будущем исследователи планируют адаптировать его свойства для создания приборов, работающих в инфракрасном и видимом диапазонах.