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

В именьи близ столицы В именьи близ столицы

Почему крестьяне из Мурина получили свободу раньше?

Санкт-Петербургский университет
«7 раз подумай, 1 раз выброси»: самые опасные бытовые отходы, которые нужно утилизировать правильно «7 раз подумай, 1 раз выброси»: самые опасные бытовые отходы, которые нужно утилизировать правильно

Какие бытовые отходы считаются опасными и приносят наибольший вред природе

ТехИнсайдер
Стив Возняк Стив Возняк

Правила жизни инженера и предпринимателя Стива Возняка

Правила жизни
Внутри рубина лазерный луч может отбрасывать тень при облучении другим лазером Внутри рубина лазерный луч может отбрасывать тень при облучении другим лазером

Световые мечи из «Звездных войнов» — не просто фантастика

ТехИнсайдер
Братские портреты Братские портреты

Братские портреты навсегда остались бы неизвестными, если бы не парное сочетание

Дилетант
Зрелая женщина: 7 признаков психологически взрослого человека Зрелая женщина: 7 признаков психологически взрослого человека

Что за «зверь» такой — зрелая женщина?

Psychologies
Ветряки, солнечные панели и декарбонизация бизнеса: какой будет энергетика будущего Ветряки, солнечные панели и декарбонизация бизнеса: какой будет энергетика будущего

Есть ли у человечества возможность отказаться от грязных ресурсов?

Forbes
ДНК всемогущая ДНК всемогущая

Можно ли узнать все о своем происхождении благодаря генетическим исследованиям?

Grazia
Косатки снова начали носить на голове мертвых лососей Косатки снова начали носить на голове мертвых лососей

Зоологам так и не удалось выяснить, зачем косатки носят лососей на голове

N+1
Другой мир — другие традиции: как выдают замуж женщин в странах Африки Другой мир — другие традиции: как выдают замуж женщин в странах Африки

Чего ждут от жениха с невестой в странах Африки?

Psychologies
Вы поразитесь, как диабет влияет на ваши глаза! Вот о чем предупредили эксперты Вы поразитесь, как диабет влияет на ваши глаза! Вот о чем предупредили эксперты

Неочевидно, но диабет может привести к серьёзным проблемам и с глазами

ТехИнсайдер
Между искусством и фейком Между искусством и фейком

10 эпизодов сюр(реализм)а в моде

Weekend
Чистота Чистота

Почему современная одержимость гигиеной может принести больше вреда, чем пользы

kiozk originals
5 мифов о браке, вера в которые может разрушить вашу семью 5 мифов о браке, вера в которые может разрушить вашу семью

Какие мифы о браке существуют и чем они опасны?

Psychologies
Движение вверх Движение вверх

8 необычных вариантов оформления потолка в квартире

Лиза
Прошлое, стертое с лица планеты: 5 утраченных памятников культурного наследия Прошлое, стертое с лица планеты: 5 утраченных памятников культурного наследия

Какие предметы культурного наследия были бесследно уничтожены?

ТехИнсайдер
Знали ли вы, что витамины можно «вдыхать» Знали ли вы, что витамины можно «вдыхать»

Почему мы чувствуем бодрость, когда вдыхаем свежий воздух на природе?

ТехИнсайдер
Брак нужнее мужчинам Брак нужнее мужчинам

Как женщины влияют на своих супругов?

Санкт-Петербургский университет
3 запроса о здоровом образе жизни 3 запроса о здоровом образе жизни

Что мешает нам поддерживать здоровый образ жизни?

Здоровье
Древние амфибии впали в летнюю спячку в ожидании мегамуссона Древние амфибии впали в летнюю спячку в ожидании мегамуссона

Древние амфибии пережидали сухой сезон в самостоятельно вырытых норах

N+1
Найти путь к изобилию Найти путь к изобилию

Как работает обращение к психологам с запросом на финансовое благополучие

Psychologies
«Белорусские мифы. От Мары и домашнего ужа до волколака и Злыдни» «Белорусские мифы. От Мары и домашнего ужа до волколака и Злыдни»

Какая нечистая сила обитает в вихре

N+1
Honda представила кроссовер Passport четвертого поколения, сделав акцент на внедорожные характеристики и сохранив 3.5V6 Honda представила кроссовер Passport четвертого поколения, сделав акцент на внедорожные характеристики и сохранив 3.5V6

Новый Passort от Honda: смесь классического SUV и копия Isuzu Rodeo

4x4 Club
Конец «дачного» сезона Конец «дачного» сезона

Dacia Bigster: какую европейскую «Ниву» мы потеряли

Автопилот
Фасадные работы: плюсы и минусы химического пилинга Фасадные работы: плюсы и минусы химического пилинга

Химический пилинг: врач рассказывает обо всех нюансах

ТехИнсайдер
Чистое место: как убираться в ванной и туалете правильно Чистое место: как убираться в ванной и туалете правильно

Лайфхаки по уборке ванной и туалета

Новый очаг
Здания-рекордсмены: постройки России, которые попали в Книгу рекордов Гиннесса Здания-рекордсмены: постройки России, которые попали в Книгу рекордов Гиннесса

Здания России, которые побили самые разные мировые рекорды

ТехИнсайдер
Любимчик фортуны Любимчик фортуны

10 способов приманить удачу и стать успешной

Лиза
Почему проваливаются переговоры и как научиться добиваться своего Почему проваливаются переговоры и как научиться добиваться своего

Что такое искусство переговоров? Разбираем в теории и на практике

Forbes
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
Открыть в приложении