Новая нанокерамика поможет улучшить дисплеи смартфонов и телевизоров

09:22, 25 марта 2024

Разработанный физиками материал светится одновременно тремя основными цветами

Нанокерамика прочная, поскольку создана под высоким давлением. Фото: Анна Маринович.

Ученые УрФУ с коллегами из Индии и УрО РАН разработали нанокерамику, которая люминесцирует тремя основными цветами — красным, зеленым и синим. Новый материал крайне прочен, так как создан под высоким давлением. Как полагают ученые, характеристики новой нанокерамики — свечение, прочность и прозрачность — пригодятся для создания экранов с улучшенной яркостью и детализацией для смартфонов, телевизоров и других устройств. Подробную информацию о новой нанокерамике и ее свойствах ученые опубликовали в журнале Applied materials today. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (№ 23-72-01024) и программы «Приоритет-2030». Экспериментальные работы проводились в рамках госзадания (ААА-А19-119031890025-9).

«Мы получили оптически прозрачную нанокерамику, которая способна люминесцировать красным, зеленым и синим цветами. Это стало возможным благодаря добавлению частиц углерода, которые выступили в качестве углеродных наноточек. В процессе синтеза углеродные компоненты становятся заключенными между частицами керамики, что образует дефекты на их поверхности. Мы полагаем, что эти дефекты создают ряд энергетических уровней в углеродных наноточках, благодаря чему материал может светиться разными цветами в видимом спектре», — поясняет соавтор работы, доцент кафедры физических методов и приборов контроля качества УрФУ Арсений Киряков.

Углеродные наноточки — это небольшие кластеры углеродных атомов, размер которых составляет несколько нанометров. Углеродные наноточки характеризуются особым типом ковалентной связи и активной поверхностью. Благодаря этому эффективность свечения углеродных наноточек может достигать 70 %, что позволяет использовать их в качестве светоизлучающего вещества при создании дисплеев.

«Поскольку наша нанокерамика способна обеспечить все три базовых цвета спектра (красный, зеленый и синий), то нет необходимости использовать три светодиода по отдельности — достаточно будет разместить на светоизлучающем чипе один элемент для получения всех трех цветов. Также благодаря тому, что синтез керамики осуществлен под высоким давлением, наночастицы расположены друг к другу очень плотно — это позволило избавиться от дефектов, добиться оптической прозрачности и повысить прочность. Такие характеристики будут полезны для производства дисплеев смартфонов и планшетов, поскольку повышенная концентрация углеродных наноточек позволит увеличить эффективность свечения, что может способствовать росту плотности пикселей в дисплее на единицу площади», — объясняет соавтор работы, доцент кафедры физических методов и приборов контроля качества УрФУ Юлия Кузнецова.

Пиксели — это мельчайшие элементы цветопередачи на экране дисплея. Совокупное свечение пикселей позволяет выводить изображение на экран, а цветовая гамма образуется при помощи сочетания красного, зеленого и синего цветов.

«Для получения хорошего изображения особую важность имеет количество пикселей и эффективность их свечения. Дисплеи, на которых сосредоточено много пикселей, имеют более четкую картинку, но при этом страдает яркость. Напротив, экраны с меньшим количеством пикселей имеют плохое качество картинки, но при этом хорошую яркость. Созданная нами керамика отличается от традиционных люминофоров типом центров свечения. Это позволяет увеличить количество пикселей на экране, сохранив при этом уровень яркости», — объясняет Юлия Кузнецова.

В качестве материала для создания нанокерамики ученые использовали алюмо-магниевою шпинель — материал, имеющий кубическую структуру кристаллической решетки. Благодаря этому свет, проходящий сквозь материал, не преломляется и не рассеивается. Синтез керамики был осуществлен методом термобарического сжатия — с помощью процесса, при котором материал подвергается колоссальному давлению при относительно низкой температуре.

«Термобарическое сжатие — это процесс подведения высокого давления, порядка нескольких гигапаскалей — такое давление реализуется в земной коре на глубине 50–60 километров. Высокое давление позволяет нам снизить температуру синтеза до значений 500–600 °С — это в два раза ниже, чем у аналогичных методов для синтеза нанокерамики, таких как одноосное горячее прессование, либо искроплазменное спекание. Данное сочетание давления и температуры позволяет избавиться от различных макродефектов, таких как трещины, поры, крупные кристаллиты, поскольку наночастицы в процессе синтеза претерпевают своего рода пластическую деформацию за счет того, что начинают смещаться относительно друг друга, проворачиваться и заполнять все возможные пустоты», — рассказывает Арсений Киряков.

Отметим, в исследовании принимали участие сотрудники Университета Савита (Индия), Факультета физики инженерного колледжа Тиаграджар (Индия) и Института химии твердого тела УрО РАН.

Справка

Создание красного, зеленого и синего светодиодов происходило на протяжении всего XX века. В 1927 году советский физик Олег Лосев обнаружил электролюминесценцию в кабриде кремния, что стало первым шагом научного сообщества в разработке светодиодов. Из-за начала Второй мировой войны физик не смог продолжить работу в этом направлении. Однако впоследствии, уже в других странах, были разработаны красный, зеленый и синий светодиоды, сочетание которых позволяло создавать миллионы оттенков всей цветовой гаммы. На сегодня светодиоды используются, в том числе, для создания изображения в дисплеях и энергоэффективных приборов освещения.

Сергей Лукьянченко