Ученые СПбГУ сделали светодиоды ярче и долговечнее

Санкт-Петербургский университетHi-Tech

Мир искусственного света

Разработка университетских ученых поможет сделать ярче и долговечнее телевизионные экраны и панели, компьютерные мониторы, объекты городского и бытового освещения.

Автор: Екатерина Заикина

Freepik

За последние несколько десятилетий мир стал светлее. Его освещают миллиарды дисплеев, прожекторов, ламп, подсветок, светофоров, рекламных вывесок и медиафасадов. Все это благодаря цветным светодиодам.

Главный их компонент (то, что светится) — фотолюминофоры: вещества, способные преобразовывать поглощаемую энергию в световое излучение — люминесцировать.

Исследователи Университета открыли новые фотолюминофоры красного цвета. Они обладают более высокой фотостабильностью и лучшей цветопередачей, чем существующие, а их производство дешевле и экологичнее.

Основа для открытий

Все фотолюминофоры состоят из двух компонентов — матрицы-основы и вещества-активатора. Материалами для люминофоров могут выступать неорганические соединения различных металлов в кристаллическом (порошок) и аморфном (стекло) виде. В качестве матрицы-основы используются, например, синтетические соединения, такие как соли борной (бораты) и фосфорной (фосфаты) кислот. Вещество-активатор добавляют в небольшом количестве при синтезе. Исходя из названия, оно предназначено для активации матрицы, то есть для запуска или усиления люминесценции. Такую роль могут играть соединения редкоземельных элементов, таких как европий или тербий, а также ионы марганца и олова.

«Фотолюминофоры на основе редкоземельных элементов демонстрируют превосходные оптические свойства. А неорганические соединения, активированные атомами европия, давно зарекомендовали себя как надежные коммерческие люминофоры красного свечения с хорошими оптическими характеристиками. Они обладают высокой фотостабильностью и интенсивностью излучения, хорошей химической и термической стойкостью, — рассказывает Станислав Константинович Филатов, профессор СПбГУ (кафедра кристаллографии). — Однако при этом у них есть ряд существенных недостатков (подробнее о них читайте ниже. — Прим. ред.)».

Поэтому в настоящее время многие специалисты продолжают искать новые перспективные матрицы для фотолюминофоров, например, на основе сложных боратов щелочноземельных и редкоземельных элементов.

Этим также занимаются и ученые СПбГУ. Они ведут поиск соединений, синтезируют их, расшифровывают кристаллические структуры и анализируют их свойства. Благодаря результатам этой работы им удалось заложить основу для создания новых оптических боратных материалов. А затем создать новые фотолюминофоры красного свечения совместно с учеными Института химии силикатов имени И. В. Гребенщикова (НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ).

Лучше, чем есть

Исследователи сосредоточились именно на красных люминофорах, потому что существующие на настоящий момент коммерческие, как уже было сказано ранее, обладают рядом недостатков. «Например, их использование ограничено, потому что часть излучения красного цвета коммерческих люминофоров лежит в той области спектра, где чувствительность человеческого глаза очень низкая. Это снижает яркость источника света, — отмечает Ярослав Павлович Бирюков, кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник Института химии силикатов имени И. В. Гребенщикова (НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ). — Еще одним недостатком является сложность получения люминофоров. Для их производства необходимы высокое давление и температура, что ресурсозатратно. Некоторые известные коммерческие красноизлучающие соединения термически нестойкие, то есть при перепадах температуры они теряют свои свойства и перестают светиться. Кроме того, для их получения нужна высокотоксичная плавиковая кислота».

По словам Станислава Филатова, по сравнению с ними разработанные исследователями Университета фотолюминофоры производить просто и безопасно. Для этого потребуется традиционный относительно дешевый твердофазный синтез (в нем используются только твердые реагенты. — Прим. ред.), невысокие температуры и небольшое количество времени. Так, для получения люминофоров навески исходных продуктов перемешивают вручную в агатовых ступках или в лабораторных мельницах, а затем подвергают отжигу в высокотемпературных печах в течение нескольких суток при температуре до 1200 ℃. «Мы уже успешно апробировали этот метод. Его можно также масштабировать и перейти от синтеза в лабораторных условиях к промышленному производству, — говорит Ярослав Бирюков. — Наша методика значительно безопаснее и дешевле тех, что в настоящее время применяются для получения коммерческих люминофоров».

Кроме того, в отличие от существующих соединений новым фотолюминофорам для проявления люминесценции высокой интенсивности нужна низкая концентрация иона-активатора. «Мы доказали это на примере трех соединений. Наибольшую силу свечения и интенсивность люминесценции мы обнаружили именно в составах с меньшим количеством иона-активатора европия, чем у люминофоров-конкурентов», — подчеркивает Римма Сергеевна Бубнова, доктор химических наук, профессор СПбГУ (кафедра кристаллографии), главный научный сотрудник Института химии силикатов имени И. В. Гребенщикова (НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ). Так как реактивы редкоземельных элементов стоят дорого, этот факт также сильно удешевляет производство.

«Важно отметить, что некоторые открытые нами люминофоры имеют высокую цветопередачу. Их координаты цветности близки к значениям люминофора-эталона по признанной во всем мире системе National Television System Committee (NTSC), — отмечает Алексей Валерьевич Поволоцкий, профессор СПбГУ (кафедра лазерной химии и лазерного материаловедения). — Кроме того, посредством изменения концентрации европия цвет свечения ряда наших люминофоров можно менять — с синего на красный».

Интересно. Одно из направлений, которое будет определять рост популярности светодиодов в будущем, — э то исследование технологии Li-Fi для передачи данных посредством света. Источник: raduga-light.com

Почти вместо солнца

Ученые изучали кристаллическое строение, термические и оптические свойства новых люминофоров в ресурсных центрах Научного парка СПбГУ «Рентгенодифракционные методы исследования» и «Оптические и лазерные методы исследования вещества». Исследователи проводили качественный и количественный фазовый рентгенодифракционный анализ люминофоров, сравнивали их с известными отечественными и зарубежными аналогами. Они определяли цвет, длину волны, которая нужна для возбуждения, то есть активации свечения, коэффициент поглощения, время свечения, интенсивность и квантовый выход излучения.

В результате испытаний исследователи установили, что новые соединения устойчивы к агрессивной окружающей среде. Они химически и термически стабильны и не подвержены поверхностным дефектам, например обводнению, то есть насыщению поверхности молекулами воды при изменении влажности в окружающей среде.

«Разработанные нами люминофоры предназначены для полупроводниковых светодиодов. Исходя из того, что они способны работать на протяжении десятков лет, можно сказать, что и новые люминофоры прослужат столько же», — подчеркивает Алексей Поволоцкий.

По словам Риммы Бубновой, еще одним важным в современной обстановке качеством новых фотолюминофоров является их экологичность. Помимо того что при их производстве не нужны токсичные вещества, они не разлагаются на опасные компоненты, поэтому не требуют особых условий утилизации. Также люминофоры могут неоднократно использоваться по назначению, даже если светодиоды, в которых они установлены, выходят из строя.

Кроме того, в условиях нынешней экономической ситуации, ориентации на импортозамещение, новые отечественные оптические материалы — люминофоры для светодиодов — как нельзя кстати. Ведь область их применения сегодня обширна. Так, люминофоры можно использовать для промышленного, бытового, городского, декоративного освещения. Они нужны для производства автомобильной и дорожной светотехники: фар, прожекторов, стоп-сигналов, светодиодных дорожных знаков и светофоров.

Фотолюминофоры востребованы в сельском хозяйстве и растениеводстве, производстве дисплеев для телевизоров, компьютеров, мобильных телефонов и смарт-часов, крупногабаритных светодиодных панелей. Разработанные люминофоры можно использовать в качестве красных компонентов чипов светодиодов, которые, в свою очередь, нужны для разработок в указанных выше сферах.

Как рассказали ученые, некоторые из открытых ими люминофоров обладают свойствами, позволяющими расширить области их применения. Например, использовать их в создании интеллектуального освещения.

Интересно

Редкоземельные элементы расположены в третьей группе Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева (например, лантан, скандий, иттрий и лантаноиды). Важные компоненты оптических и электронных устройств, таких как аккумуляторы и м обильные телефоны. В России находится примерно 17 % мировых запасов редкоземельных элементов.

Щелочноземельные элементы расположены во второй группе главной подгруппы Периодической системы химических элементов Д . И. Менделеева (например, кальций, стронций, барий). В природе встречаются в виде соединений, в основном классов карбонатов (соли угольной кислоты) и сульфатов (соли серной кислоты).

Источник: oblakoz.ru, bigenc.ru

СПбГУ в деле

Как разработка исследователей может быть полезна бизнесу — читайте в материале «Ученые СПбГУ сделают мир электронных устройств еще ярче» на сайте «СПбГУ в деле».

«СПбГУ в деле» — официальный портал старейшего университета России об изобретениях экспертов, ученых, студентов и  выпускников СПбГУ в области самых интенсивно развивающихся отраслей экономики. Здесь можно найти новые идеи и продукты д ля развития бизнеса — как его коммерческой составляющей, так и общественно значимой. Подробнее.

Подробнее о том, как люминофоры могут быть использованы в промышленности, читайте на сайте «СПбГУ в деле».

Авторы разработки:

Станислав Константинович Филатов, д. г.-м. н., почетный профессор Санкт-Петербургского университета, профессор СПбГУ (кафедра кристаллографии);

Римма Сергеевна Бубнова, д. х. н., профессор СПбГУ (кафедра кристаллографии), главный научный сотрудник Института химии силикатов имени И. В. Гребенщикова (НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ);

Алексей Валерьевич Поволоцкий, д. ф.-м. н., профессор СПбГУ (кафедра лазерной химии и лазерного материаловедения);

Ярослав Павлович Бирюков, к. х. н., ведущий научный сотрудник Института химии силикатов имени И. В. Гребенщикова (НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ);

Андрей Павлович Шаблинский, к. г.-м. н., ведущий научный сотрудник Института химии силикатов имени И. В. Гребенщикова (НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ).

Фото: Максим Халанский, предоставлено А. В. Поволоцким, предоставлено Я. П. Бирюковым

Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Особняк с историей Особняк с историей

Книга о доме, в котором родился Владимир Набоков

Санкт-Петербургский университет
Пятеро на одного Формана и Али против рестлера: самые странные бои в истории бокса Пятеро на одного Формана и Али против рестлера: самые странные бои в истории бокса

Шесть необычных боксерских поединков прошлого

Forbes
Представь, что... Представь, что...

Почему стоит довериться роботу и спланировать путешествие с помощью Chat GPT

Новый очаг
Игорь Костолевский: «Женился я на французской актрисе, а живу с русской железнодорожницей» Игорь Костолевский: «Женился я на французской актрисе, а живу с русской железнодорожницей»

Если есть любовь, все можно преодолеть

Караван историй
Конкурсы интересные Конкурсы интересные

Как развлекали себя и окружающих на банкете или празднестве в прошлом?

Вокруг света
Чем гиперзвук отличается от суперзвука: то, что вы давно хотели знать, но стеснялись спросить Чем гиперзвук отличается от суперзвука: то, что вы давно хотели знать, но стеснялись спросить

Есть ли скорость еще более высокая, чем гиперзвуковая?

ТехИнсайдер
Пространство свободы Пространство свободы

Этот лаконичный дизайн стал воплощением идеи об интерьере как месте отдыха

SALON-Interior
Катя Рыблова и «мягкая интервенция»: как смотреть проект «Переход цвета» в Доме Наркомфина Катя Рыблова и «мягкая интервенция»: как смотреть проект «Переход цвета» в Доме Наркомфина

«Переход цвета» — первая инсталляция из серии «Несущие конструкцию»

СНОБ
Иммунитет и вакцинация: роль вакцин в профилактике инфекционных заболеваний Иммунитет и вакцинация: роль вакцин в профилактике инфекционных заболеваний

Как работают вакцины?

ТехИнсайдер
Даня Крастер: «Я заболел алкоголизмом и был отчислен из строительного — теперь зудит по поводу этого» Даня Крастер: «Я заболел алкоголизмом и был отчислен из строительного — теперь зудит по поводу этого»

Даня Крастер: невероятный разговор о популярной науке и любви ко всему новому

Maxim
Микронос, смена цвета глаз и заплатка на язык: самые безумные и опасные виды пластики Микронос, смена цвета глаз и заплатка на язык: самые безумные и опасные виды пластики

Список самых бесполезных пластических операций

VOICE
«Все зависимые выросли не в бедной, а в дисфункциональной семье»: на главные вопросы об алкоголизме отвечает нарколог «Все зависимые выросли не в бедной, а в дисфункциональной семье»: на главные вопросы об алкоголизме отвечает нарколог

Почему родственникам зависимых тоже нужна терапия?

Psychologies
Система Юпитера: рождение пожирателя миров Система Юпитера: рождение пожирателя миров

Юпитер огромен. Настолько, что сухие цифры его величия ни о чем уже не говорят

Наука и техника
Секунда в секунду: почему японские поезда никогда не опаздывают и как им это удается Секунда в секунду: почему японские поезда никогда не опаздывают и как им это удается

В чем кроется секрет пунктуальности японских поездов?

ТехИнсайдер
Алмаз из пробирки Алмаз из пробирки

Российские ювелиры — о лабораторно выращенных бриллиантах

RR Люкс.Личности.Бизнес.
Эдуард Ратников — о театре «Одеон» и жизни без больших концертов Эдуард Ратников — о театре «Одеон» и жизни без больших концертов

Эдуард Ратников и его путь от стадионных шоу до мюзиклов

Правила жизни
Готовимся к Новому году! Что можно есть при диарее: простые советы и инструкция Готовимся к Новому году! Что можно есть при диарее: простые советы и инструкция

Какие продукты стоит есть и чего избегать при праздничной диарее

ТехИнсайдер
Дело молодое Дело молодое

Как перестать участвовать в офисной драме поколений и начать работать

VOICE
Изображая зло Изображая зло

Как Босх придумал адскую реальность

Weekend
Ох уж эта свекровь! Ох уж эта свекровь!

На самом деле далеко не каждая свекровь – монстр. Просто нужно знать секреты!

Лиза
Тише едешь… Тише едешь…

Спуск на воду Silent 62 3-Deck — шаг на пути к успеху верфи Silent-Yachts

Y Magazine
Почему нужно есть орехи? Ученые доказали, что орехи снижают риск деменции! Почему нужно есть орехи? Ученые доказали, что орехи снижают риск деменции!

Чем орехи полезны для здоровья мозга?

ТехИнсайдер
Было бы желание! Было бы желание!

Женское либидо – штука хрупкая, ненадежная

Лиза
Как отучить себя осуждать других людей и почему при этом вам станет легче Как отучить себя осуждать других людей и почему при этом вам станет легче

Зачем люди осуждают друг друга?

Psychologies
«Чувствовала себя коровой»: как грудное вскармливание становится для женщин проблемой «Чувствовала себя коровой»: как грудное вскармливание становится для женщин проблемой

Что переживают женщины, которые только начинают грудное вскармливание

Forbes
Не только бизнес Не только бизнес

Любовь, дружба и другие нетрудовые отношения в офисе

Men Today
Жить и быть Жить и быть

«Птица»: Андреа Арнольд находит выход из отчаяния

Weekend
Как за каменной стеной Как за каменной стеной

Почему города становятся заповедниками для редких животных

N+1
Интересное кино Интересное кино

В Екатеринбурге прошел III Международный кинофестиваль «Одна шестая»

ЖАРА Magazine
Только не сегодня Только не сегодня

10 главных причин, почему его больше к тебе не тянет

Лиза
Открыть в приложении