Ученые получили уникальный материал для преобразования энергии

Коллектив российских и китайских ученых создал, успешно испытал и исследовал материал для эффективного преобразования энергии, не имеющий аналогов в природе. Сферы применения материала обширны: фотодетекторы, биосенсоры, светодиоды, дисплеи, быстродействующие функциональные структуры и приборы нового поколения — квантовые и фотонные, информационные, а также элементы навигационных систем, устройства управления приборами, машинами и процессами. Статью с описанием материала ученые опубликовали в The Journal of Alloys and Compounds. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 21-12-00392).

По словам Юлии Кузнецовой, технология позволяет менять свойства легированных пленок под разные задачи. Фото: Данил Илюхин

В качестве базового материала соавторы статьи использовали тонкие пленки оксида редкоземельного металла гадолиния, которые применяются для преобразования энергии электромагнитного излучения и обеспечения работы разнообразных датчиков.

Пленки оксида гадолиния получили путем обработки подложки из кварцевого стекла гадолиниевой плазмой. Затем их дополнительно подвергли «бомбардировке» пучками ускоренных ионов висмута. Оксиды редкоземельных металлов, к которым относится гадолиний, обычно легируют ионами других редкоземельных металлов. У таких ионов очень узкие спектральные линии поглощения и излучения, поэтому преобразование энергии происходит в ограниченном спектральном диапазоне, что негативно сказывается на эффективности процесса конверсии света. Поэтому ученые допировали пленки оксида гадолиния ионами висмута, который не является редкоземельным металлом.

«Во-первых, висмут отличается поливалентностью, то есть большим разнообразием возможных валентных состояний. По этой причине висмутсодержащие материалы способны проявлять люминесценцию в широком диапазоне от инфракрасного до ультрафиолетового излучения. Во-вторых, ион висмута эффективно поглощает световую энергию и с минимальными потерями передает ее другому иону, который поглощает хуже, но хорошо излучает. Таким образом, “помощь” иона висмута усиливает люминесценцию второго иона. В-третьих, пленки оксида гадолиния, легированные ионами висмута, характеризуются богатством и разнообразием дефектов, способствующих образованию оптических эмиссионных центров — центров фотолюминесценции», — рассказывает профессор Физико-технологического института УрФУ, руководитель исследований Анатолий Зацепин.

Ученые имплантировали в пленки оксида гадолиния ионы висмута трех видов, как одиночные, в разном зарядовом состоянии, так и парные. Как и предполагали исследователи, имплантация привела к образованию трех обособленных оптически активных центров. Энергия фотонов, поглощенная пленками оксида гадолиния, передавалась оптическим центрам, которые демонстрировали излучение, соответственно, в красном, зеленом и синем спектральных диапазонах. Каждый из трех центров свечения проявлял себя как индикатор воздействия того или иного вида излучения. Таким образом, в преобразовании энергии участвовал широкий диапазон как поглощаемого ультрафиолетового света, так и излучаемого видимого.

«Благодаря одновременной “бомбардировке” исходного оксида гадолиния ионами висмута мы в одном материале получили целый набор вариантов преобразования световой энергии. Технология получения материала отличается быстродействием и минимальными потерями энергии. При этом, если мы понимаем физический механизм возбуждения люминесценции и преобразования энергии, значит, можем им управлять. Иначе говоря, целенаправленно варьировать свойства легированных пленок, добиваясь наилучших результатов, в зависимости от области применения пленок и содержания задач и, следовательно, максимальной экономичности их использования. Так, просматривается перспектива создания миниатюрного сенсора, с помощью которого будет возможным быстро и точно определять различные виды излучения по цвету индикаторного свечения», — подчеркивает Юлия Кузнецова, старший научный сотрудник Научно-исследовательской лаборатории «Физика функциональных материалов углеродной микро- и оптоэлектроники» УрФУ.

Добавим, что, помимо представителей УрФУ (в том числе из Научной лаборатории «Гибридные технологии и метаматериалы», созданной в рамках госпрограммы поддержки университетов «Приоритет-2030»), в исследованиях приняли участие ученые Института электрофизики и Института физики металлов УрО РАН, Гонконгского политехнического и Нанкинского университетов.

Информация предоставлена пресс-службой Уральского федерального университета

Источник фото: urfu.ru

Источник: scientificrussia.ru