Дефекты в нитриде бора обуславливают его фотолюминесценцию

10:00, 27 октября 2020

Физики изучили примесные комплексы в порошках гексагонального нитрида бора

По словам Александра Вохминцева, примесные дефекты могут создавать так называемые однофотонные излучатели. Фото: Данил Илюхин.

За фотолюминесценцию в гексагональном нитриде бора (белый графит) отвечают примесные дефекты. К такому выводу пришли сотрудники научно-образовательного центра «Наноматериалы и нанотехнологии» Уральского федерального университета. Подтвердить их предположения позволили температурные исследования вещества в диапазоне 7–1100 К (-266 — +827℃). Статья, в которой представлены результаты исследования примесных комплексов с нулевой фононной линией в ультрафиолетовом диапазоне (4,1 эВ), опубликована в Journal of Luminescence.

«Чистый нитрид бора как излучатель работает в коротковолновом ультрафиолете. Но произвести абсолютно чистый материал невозможно. В технологический процесс всегда внедряются примеси. В нашем случае это гексагональный нитрид бора с высоким содержанием углерода и кислорода, — рассказывает доцент кафедры физических методов и приборов контроля качества УрФУ Александр Вохминцев. — Примеси создают определенные дефекты в материале, что в дальнейшем обуславливает его фотолюминесцентные свойства. Наши температурные исследования позволили подтвердить, что примесные дефекты могут образовывать углерод-кислородные комплексы и создавать так называемые однофотонные излучатели. А возбужденное состояние комплекса, который отвечает за фотолюминесценцию, связано, скорее всего, с кислородом».

Однофотонные излучатели отличаются от обычных источников света тем, что излучают свет в виде отдельных фотонов с определенной энергией, а время между двумя последовательными фотонами никогда не бывает меньше некоторого минимального значения. В случае с образцами, с которыми работают физики УрФУ, излучение происходит в ультрафиолетовом диапазоне с длиной волны порядка 300 нанометров или 4,1 эВ. Интенсивность свечения примесного комплекса максимальна в районе 220 — 260 К (от -53 до -13 ℃), и при температуре более 800 К (527 ℃) фотолюминесценция тушится.

«В настоящее время ученые уделяют большое внимание методам направленного синтеза, обработке и легированию гексагонального нитрида бора. Цель — создать перспективные функциональные материалы, которые можно применять в фотонике, наноэлектронике, оптоэлектронике. В частности, благодаря внедрению примесных дефектов можно реализовывать однофотонные излучатели, которые будут работать при комнатной температуре», — поясняет Александр Вохминцев.

Отметим, коллектив ученых НОЦ «Наноматериалы и нанотехнологии» не первый год изучает свойства нитрида бора. Так, ранее физикам удалось обнаружить, что нитрид бора также обладает электролюминесценцией, лазерным эффектом, дозиметрическими свойствами и кинетикой в наносекундном диапазоне.

Справка

Гексагональный нитрид бора впервые был использован в косметике примерно в 1940 году в Японии. Однако из-за высокой цены от него вскоре отказались. В конце 1990-х годов производство нитрида бора оптимизировали, и сегодня его используют производители косметики для основы под макияж, теней для век, румян, карандашей, губной помады.

Из-за высокой термической и химической стабильности керамику из нитрида бора используют в составе высокотемпературного оборудования. Кроме того, нитрид бора входит в состав сплавов, смол, пластмасс, каучуков и других материалов. Благодаря отличным диэлектрическим и тепловым свойствам нитрид бора применяют в электронике в качестве подложки для полупроводников, прозрачных для микроволн окон, материала для уплотнений. Гексагональный нитрид бора также используют в ксерографических процессах и лазерных принтерах, для герметизации датчиков кислорода.