Ученые СПбГУ получили новые светящиеся соединения красного цвета для осветительных приборов

Цветовое пространство CIE. Кружками отмечены координаты полученных соединений. Иллюстрация: Станислав Филатов

Неорганические светящиеся соединения — люминофоры — широко используются в светодиодных лампах, которые практически не нагреваются при работе, а также имеют меньший размер и более яркое излучение, чем лампы накаливания. Кроме того, светодиоды экономичнее в эксплуатации и гибче в применении, а срок их службы больше. Для коммерческого применения вещества-люминофоры должны быть устойчивы к воздействию различных химических веществ, перепадам температур, обладать высокой эффективностью свечения, длительным сроком службы, при этом их получение не должно быть сложным.

В настоящее время перспективной основой для создания неорганических люминофоров считаются бораты — соли борной кислоты. Эти соединения химически и термически стабильны, а для их синтеза достаточно относительно невысоких температур (600−1000 °С). При этом атомы бора могут образовывать различные по геометрии неорганические комплексы — линейные, треугольные, тетраэдрические — за счет чего можно получать целый ряд различных кристаллических структур.

Ученые Санкт-Петербургского государственного университета и Института химии силикатов имени И. В. Гребенщикова синтезировали смешанные бораты стронция, висмута и европия с различным соотношением числа атомов висмута и европия в молекуле. Для этого порошки карбоната стронция, борной кислоты и оксидов висмута и европия спекали при температурах 650−900 °С. При таком взаимодействии реакция происходила за счет диффузии — взаимного проникновения частиц одного вещества в другое.

Ученые определили структуру полученных боратов методом монокристальной рентгеновской дифракции, при котором рентгеновские лучи преломляются на монокристалле синтезированного соединения. Этот метод позволил установить взаимное расположение атомов в боратах и длины химических связей.

Кроме того, исследователи проанализировали оптические и люминесцентные свойства полученных соединений. Оказалось, что самым ярким излучением обладает соединение, в котором атомов висмута в три раза больше, чем атомов европия. Когда ионов европия становится больше, эффективность излучения уменьшается, что связано с изменением кристаллического строения вещества.

Помимо этого, спектры свечения авторы использовали, чтобы определить координаты полученных боратов в цветовом пространстве CIE: которое представляет собой модель кодировки цвета, где каждый цвет имеет определенные координаты. Она используется в компьютерной индустрии, телевидении и промышленности.

«Полученные результаты показывают, что синтезированные в ходе исследования люминофоры — перспективные кандидаты для применения в светодиодных лампах, поскольку они достаточно просты в получении, а их характеристики схожи с коммерческим стандартом красного люминофора, используемого сегодня в различных осветительных приборах», — рассказал руководитель проекта, профессор кафедры кристаллографии СПбГУ Станислав Филатов.

Результаты исследования опубликованы в научном журнале Solid State Sciences.