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

Три века воспоминаний Три века воспоминаний

Сборник с воспоминаниями студентов и ученых о прошлом Университета

Санкт-Петербургский университет
Движение вверх Движение вверх

8 необычных вариантов оформления потолка в квартире

Лиза
О сути технологического суверенитета: «Мы никогда полностью не откажемся от мировых связей» О сути технологического суверенитета: «Мы никогда полностью не откажемся от мировых связей»

Понятие технологического суверенитета — в каких сферах оно критически важно?

ФедералПресс
В мире смартфонов грядет революция В мире смартфонов грядет революция

Apple создает AI Phone — умного помощника

ТехИнсайдер
Александр Чулок: «Мы не стараемся угадать будущее, мы хотим его создать» Александр Чулок: «Мы не стараемся угадать будущее, мы хотим его создать»

Прогнозист Александр Чулок — о том, чем станет ИИ для общества в будущем

РБК
Банкир миллиардеров Банкир миллиардеров

Как Эдмонд Сафра стал легендой в мире private banking

Деньги
На острове Диско найден возможный источник фосфора для возникновения первых живых организмов На острове Диско найден возможный источник фосфора для возникновения первых живых организмов

Магма могла стать источником фосфора для возникновения первых живых организмов

Знание – сила
«Мы запустились на чистом энтузиазме, денег не было совсем»: режиссер Иван Соснин о фильме «Пришелец» «Мы запустились на чистом энтузиазме, денег не было совсем»: режиссер Иван Соснин о фильме «Пришелец»

Режиссер Иван Соснин — о любви к фантастике и недоверии к компьютерной графике

СНОБ
Золотой голос Золотой голос

Оперная певица Екатерина Смолина — о непростом творческом пути

Отдых в России
Как перестать заслуживать и выпрашивать любовь и избавиться от постоянного чувства голода по ней Как перестать заслуживать и выпрашивать любовь и избавиться от постоянного чувства голода по ней

Как удовлетворить свою потребность в любви?

VOICE
Размер имеет значение: насколько вредно для здоровья увеличение груди большими имплантами Размер имеет значение: насколько вредно для здоровья увеличение груди большими имплантами

Пластический хирург — обо всех нюансах операции по увеличению груди

ТехИнсайдер
Менкипинг: как жены становятся «бесплатными психологами» для мужей и почему так происходит Менкипинг: как жены становятся «бесплатными психологами» для мужей и почему так происходит

Почему мужчины обращаются к своим женам, а не к психологам?

Psychologies
Пыль в глаза Пыль в глаза

Почему возникает конъюнктивит и как его лечить

Лиза
Рокки и его братья: 6 лучших фильмов о боксе Рокки и его братья: 6 лучших фильмов о боксе

Прекрасные фильмы о боксе и борьбе

Правила жизни
Моя гениальная мелодрама Моя гениальная мелодрама

«Моя гениальная подруга»: четвертый сезон экранизации бестселлера Элены Ферранте

Weekend
Сделаем секс снова великим Сделаем секс снова великим

Как приложить усилия к тому, чтобы разжечь пламя страсти в паре с новой силой?

Men Today
Дело мастера Дело мастера

Тест-драйв первого люксового внедорожника Tank

RR Люкс.Личности.Бизнес.
Изображая зло Изображая зло

Как Босх придумал адскую реальность

Weekend
Уже не игрушка Уже не игрушка

Как открыть творческий бизнес и продавать свои изделия

Лиза
«Нейросети — это современная алхимия» «Нейросети — это современная алхимия»

Философ Михаил Куртов о связи нейросетевого искусства с сюрреализмом

Weekend
Кочевые племена Кочевые племена

Хотите ли вы узнать, что ощущали русские землепроходцы?

Отдых в России
Новые реалии — новые правила: ректор РАНХиГС Алексей Комиссаров — о трансформации бизнес-образования Новые реалии — новые правила: ректор РАНХиГС Алексей Комиссаров — о трансформации бизнес-образования

Ректор РАНХиГС о ценности рейтингов, требованиях времени и «корочке» пилота

СНОБ
Крутые ПК-игры на двоих на одном компьютере: топ-10 проектов для нескучного вечера Крутые ПК-игры на двоих на одном компьютере: топ-10 проектов для нескучного вечера

Сегодня все еще есть игры, в которые можно сыграть вдвоем на одном компьютере

CHIP
«Конклав»: политический триллер о выборах Папы Римского и интригах в Ватикане «Конклав»: политический триллер о выборах Папы Римского и интригах в Ватикане

Чем впечатляет и разочаровывает «Конклав» Эдварда Бергера?

Forbes
15 витаминов и добавок, о которых не зря все говорят 15 витаминов и добавок, о которых не зря все говорят

Азбука красоты от А (аминокислоты) до Я (янтарная кислота)

VOICE
«Ученик»: почему фильм о молодом Трампе вызвал скандал и не выйдет в прокат в России «Ученик»: почему фильм о молодом Трампе вызвал скандал и не выйдет в прокат в России

«Ученик»: какой получилась скандальная картина?

Forbes
Темные звезды: почему токсичные сотрудники подрывают работу и как этому противостоять Темные звезды: почему токсичные сотрудники подрывают работу и как этому противостоять

Стоит ли закрывать глаза на агрессию, если человек приносит компании прибыль?

Forbes
К звёздам К звёздам

За унылым названием «гермообъект» стоит история прототипа межпланетного корабля

Наука и техника
Улыбайтесь! Это раздражает Улыбайтесь! Это раздражает

Попросили стоматологов-ортопедов объяснить, как получить ослепительную улыбку

Собака.ru
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
Открыть в приложении