Цивилизация
Российские ученые совместно с коллегами из Германии и Великобритании изучили свойства германатов со структурой апатита. Эти неорганические соединения могут светиться в инфракрасном диапазоне, и их можно использовать для создания волоконно-оптических систем передачи информации, устройств для дистанционного зондирования атмосферы, а также лазерных радаров с безопасным для глаз излучением. Исследования поддержаны грантом РНФ. Результаты опубликованы в журнале Dalton Transactions.
Колеса велосипедов, кроссовки и звезды на потолке детской комнаты – все это и многое другое может светиться, если покрыто специальным веществом – люминофором. Вещество преобразует поглощаемую энергию в световое излучение, то есть люминесцирует. Люминесценция кристаллов неорганических веществ (кристаллофосфоров) сильно зависит от наличия в них незначительных примесей – активаторов, определяющих как цвет свечения, так и саму способность к свечению. Иногда интенсивность свечения можно увеличить, если дополнительно ввести в матрицу ионы-сенсибилизаторы, которые поглощают возбуждающую энергию и передают ее ионам-активаторам.
Излучение в ближнем и среднем инфракрасном (ИК) диапазоне (2–5 микрометров) широко применяют в биомедицинских системах, в устройствах дистанционного зондирования атмосферы, а также в волоконно-оптических линиях связи. Чтобы получить люминесценцию в этой области спектра, в качестве активаторов используют редко встречающиеся в земной коре ионы: гольмия, эрбия, тулия, диспрозия и другие. Традиционно эти ионы (частицы с приобретенными или потерянными электронами) целенаправленно вводят в неорганическую матрицу в процессе синтеза люминофора, но в некоторых случаях требуемое количество ионов-активаторов настолько мало, что достаточно примесного содержания иона в исходных реактивах. Чтобы увеличить чувствительность веществ к внешним воздействиям, используют сенсибилизаторы – ионы неодима или иттербия.
Ученые синтезировали кристаллофосфор, содержащий следовые количества ионов гольмия, исследовали его структуру, электронные и оптические свойства. Наиболее интенсивное свечение нового соединения наблюдалось в диапазоне 2,1–2,7 микрометров. Авторы работы установили его оптимальный состав, чтобы преобразование энергии лазерного излучения в излучение ближнего и среднего ИК-диапазона происходило эффективнее всего. Исследователи отмечают интересную детали: отношение концентрации активатора гольмия к сенсибилизатору неодиму оказалось на несколько порядков меньше традиционно используемых значений. По сравнению с германатами с разными кристаллическим строением, германаты со структурой апатита обладают наибольшей интенсивностью свечения.
«Схема межуровневых переходов, возбуждения и излучения для ионов неодима и гольмия была предложена на основе спектров диффузного отражения, кривых затухания люминесценции, а также по результатам исследования концентрационных и мощностных зависимостей», – рассказывает один из авторов работы, старший научный сотрудник Института химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук Яна Бакланова.
Таким образом, авторы предложили для практического использования новую группу кристаллофосфоров и расширили представления об электронной структуре, атомном строении и оптических свойствах германатов со структурой апатита.
В исследовании принимали участие химики Института химии твердого тела УрО РАН, а также их коллеги из Института коллоидов и поверхностей имени Макса Планка (Германия), Школы инженерных наук и материаловедения Лондонского университета Королевы Марии и Лаборатории Резерфорда – Эплтона (Великобритания).
