Уральские ученые создали новую прозрачную нанокерамику

11:00, 25 января 2024

Для этого физики использовали недорогую и экологичную технологию

Люминесценция керамики под ультрафиолетовым излучением. Фото из личного архива Арсения Кирякова.

Новая прозрачная нанокерамика, которую синтезировали ученые УрФУ и УрО РАН, поможет создавать светоизлучающие устройства, датчики, сенсоры, устройства связи и лазеры. Она обладает достаточной оптической прозрачностью для пропускания квантов света, а также имеет хорошие люминесцентные свойства. Подробную информацию о новой нанокерамике и методах ее получения ученые опубликовали в журнале Ceramics international. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (№ 23-72-01024) и программы «Приоритет-2030». Экспериментальные работы проводились в Институте химии твердого тела УрО РАН в рамках государственного задания (АААА-А19-119031890025-9).

«Наша нанокерамика состоит из наночастиц алюминиево-магниевой шпинели. Для шпинели показатель преломления изотропен, поскольку кристаллическая структура сформирована кубической гранецентрированной кристаллической решеткой. Это позволяет снизить рассеяние в нанокристаллах и добиться улучшенных оптических характеристик. Также мы добавили металлы группы железа в качестве ионов активаторов, а именно ионы хрома, чтобы функционализировать керамику в красном спектральном диапазоне», — поясняет заведующий лабораторией радиационного контроля и твердотельной дозиметрии УрФУ Арсений Киряков.

Как добавляет Арсений Киряков, исследователи обнаружили, что кинетика фотолюминесценции составляет 4,74 миллисекунды. Этот показатель выше, чем у аналогичных разработок и, кроме того, данный параметр является чувствительным к режимам синтеза, что позволяет управлять фотолюминесцентными характеристиками. Таким образом, физики получили оптически прозрачную нанокерамику, обладающую люминесцентными свойствами, которую можно использовать в различных областях — например, в оптоэлектронике или устройствах связи.

Прозрачная нанокерамика — это вид оптических материалов, который обладает способностью пропускать свет в видимой части спектрального диапазона, а также электромагнитные волны в УФ и ИК диапазонах. Для достижения оптической прозрачности, достаточной для пропускания света, необходимо избавится от всевозможных дефектов — пустот, пор, микротрещин. Если дефекты слишком большого размера, то они ограничивают прозрачность керамики, в результате чего свет не проходит и рассеивается.

«Дефекты оказывают большое влияние на оптическую прозрачность материала. Дело в том, что глазами мы видим свет в диапазоне от 380 до 700 нанометров. Если дефекты будут соразмерны этому значению, то кванты света будут взаимодействовать с ними и рассеиваться, а материал в целом перестанет быть прозрачным», — объясняет Арсений Киряков.

Для создания прозрачной керамики ученые использовали неклассическую технологию. Традиционные способы предполагают нагревание керамики до 1,5 тыс. ℃ с одновременным давлением в 300 MPa, в результате чего наночастицы слипаются друг с другом, формируя крупные зерна. При таком подходе нейтрализуются макродефекты, увеличиваются границы зерен, вытесняются поры и в совокупности материал становится прозрачным. Однако у этого способа есть ряд недостатков, таких как сегрегация примеси на границе зерен, крайне широкое распределение зерен по размерам, а также он неэффективен с экономической точки зрения.

«Чтобы избавиться от дефектов и добиться оптической прозрачности, мы использовали технологию термобарического прессования. То есть мы спрессовали наночастицы между собой под высоким давлением, а температуру снизили до 600 ℃. В результате дефекты вытеснили за пределы границы зерен, при этом сохранив размер самих наночастиц», — поясняет Арсений Киряков.

В будущем физики проведут экспериментальные работы, которые помогут определить новые направления для улучшения эффективности нанокерамики.

Справка

Магниево-алюминиевая шпинель — это минерал, который состоит из оксидов магния (MgO) и алюминия (Al₂O₃).

Магниево-алюминиевая шпинель имеет твердость 8 по шкале Мооса, что делает ее очень твердым материалом. Она также обладает высокой устойчивостью к кислотам и щелочам, а также к высоким температурам, что делает ее полезным материалом в различных промышленных процессах. Этот материал особенно востребован в металлургии, химической промышленности, важен для создания изоляторов, подложек и других электро-компонентов.

По данным Statista, в 2022 году размер рынка прозрачной нанокерамики составлял 548 млн долларов США. В 2016 году данный показатель составлял 194 млн доллара, то есть в два с лишним раза меньше.

Сергей Лукьянченко