Создан уникальный материал для преобразования энергии

12:15, 5 мая 2023

Преимущества технологии — быстродействие, эффективность, экономичность

По словам Юлии Кузнецовой, технология позволяет менять свойства легированных пленок под разные задачи. Фото: Данил Илюхин.

Коллектив российских и китайских ученых создал, успешно испытал и исследовал материал для эффективного преобразования энергии, не имеющий аналогов в природе. Сферы применения материала обширны: фотодетекторы, биосенсоры, светодиоды, дисплеи, быстродействующие функциональные структуры и приборы нового поколения — квантовые и фотонные, информационные, а также элементы навигационных систем, устройства управления приборами, машинами и процессами. Статью с описанием материала коллеги опубликовали в The Journal of Alloys and Compounds. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 21-12-00392).

В качестве базового материала соавторы статьи использовали тонкие пленки оксида редкоземельного металла гадолиния, которые применяются для преобразования энергии электромагнитного излучения и обеспечения работы разнообразных датчиков.

Пленки оксида гадолиния были получены путем обработки подложки из кварцевого стекла гадолиниевой плазмой. Полученные тонкие пленки оксида гадолиния дополнительно подвергли «бомбардировке» пучками ускоренных ионов висмута. Оксиды редкоземельных металлов, к которым относится гадолиний, обычно легируют ионами других редкоземельных металлов. У таких ионов очень узкие спектральные линии поглощения и излучения, поэтому преобразование энергии происходит в ограниченном спектральном диапазоне, что негативно сказывается на эффективности процесса конверсии света. Поэтому ученые допировали пленки оксида гадолиния ионами висмута, который не является редкоземельным металлом.

«Во-первых, висмут отличается поливалентностью, то есть большим разнообразием возможных валентных состояний. По этой причине висмутсодержащие материалы способны проявлять люминесценцию в широком диапазоне от инфракрасного до ультрафиолетового излучения. Во-вторых, ион висмута эффективно поглощает световую энергию и с минимальными потерями передает ее другому иону, который поглощает хуже, но хорошо излучает. Таким образом, „помощь“ иона висмута усиливает люминесценцию второго иона. В-третьих, пленки оксида гадолиния, легированные ионами висмута, характеризуются богатством и разнообразием дефектов, способствующих образованию оптических эмиссионных центров — центров фотолюминесценции», — рассказывает профессор физико-технологического института УрФУ, руководитель исследований Анатолий Зацепин.

Ученые имплантировали в пленки оксида гадолиния ионы висмута трех видов, как одиночные, в разном зарядовом состоянии, так и парные. Как и предполагали исследователи, имплантация привела к образованию трех обособленных оптически активных центров. Энергия фотонов, поглощенная пленками оксида гадолиния, передавалась оптическим центрам, которые демонстрировали излучение, соответственно, в красном, зеленом и синем спектральных диапазонах. Каждый из трех центров свечения проявлял себя как индикатор воздействия того или иного вида излучения. Таким образом, в преобразовании энергии участвовал широкий диапазон как поглощаемого ультрафиолетового света, так и излучаемого видимого.

«Благодаря одновременной „бомбардировке“ исходного оксида гадолиния ионами висмута мы в одном материале получили целый набор вариантов преобразования световой энергии. Технология получения материала отличается быстродействием и минимальными потерями энергии. При этом, если мы понимаем физический механизм возбуждения люминесценции и преобразования энергии, значит, можем им управлять. Иначе говоря, целенаправленно варьировать свойства легированных пленок, добиваясь наилучших результатов, в зависимости от области применения пленок и содержания задач и, следовательно, максимальной экономичности их использования. Так, просматривается перспектива создания миниатюрного сенсора, с помощью которого будет возможным быстро и точно определять различные виды излучения по цвету индикаторного свечения», — подчеркивает Юлия Кузнецова, старший научный сотрудник Научно-исследовательской лаборатории «Физика функциональных материалов углеродной микро- и оптоэлектроники» УрФУ.

Справка

Помимо представителей УрФУ (в том числе из Научной лаборатории «Гибридные технологии и метаматериалы», созданной в рамках госпрограммы поддержки университетов «Приоритет-2030»), в исследованиях приняли участие ученые Института электрофизики и Института физики металлов УрО РАН, Гонконгского политехнического и Нанкинского университетов.