Новый люминофор удешевит светодиоды

Физик из Сибирского федерального университета (СФУ) и Института физики имени Л.В. Киренского СО РАН структурно охарактеризовал разработанный совместно с коллегами из Тайваня новый люминофор — светоизлучающее вещество. Красные люминофоры обеспечивают хорошую термическую стабильность и снижают затраты на производство белых светодиодов — важнейших источников освещения в современном мире. Об открытии сообщается в журнале Dyes and Pigments.

Белые светодиоды привлекают ученых и промышленников своей яркостью, экологичностью и высокой энергоэффективностью. Они по праву считаются источниками света следующего поколения.

Обычно белые светодиоды изготавливаются из комбинации синих излучающих чипов из индия, галлия и азота с иттрий-алюминиевым гранатом, допированным (дополненным примесью) церия Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺. Такой гранат излучает желтый цвет. Сочетание голубого и желтого цвета дает свет, приближенный к белому. Отклонение от идеального белого света выражается индексом цветопередачи (CRI), который имеет максимальное значение 100. В большинстве белых светодиодов не хватает красного цвета, поэтому их CRI заметно ниже 100.

Чтобы преодолеть эти недостатки, наиболее часто применяется добавление люминофоров на основе излучающего красным светом нитридов (Sr₂Si₅N₈:Eu²⁺ или CaAlSiN₃:Eu²⁺), оксидов или углеродных квантовых точек — наночастиц углерода меньше 10 нм. Однако из-за больших затрат на патентование и синтез этих веществ конечная цена изделия получается высокой. Следовательно, для ученых крайне важно получить новое, относительно дешевое вещество, излучающее красный цвет и при этом не относящееся к защищенному патентами классу (такие вещества производить слишком дорого из-за необходимости платить правообладателю), способное обеспечить хорошую термическую стабильность и снизить затраты на производство белых светодиодов.

Тайваньские коллеги предложили допировать вещество Ca₂Y₈(SiO₄)₆O₂ (его также называют CYSO) ионами самария Sm³⁺. В задачу красноярского физика входил контроль качества исходного и допированного веществ, а также установление распределения ионов по позициям в кристаллической структуре, поскольку именно они определяют свойства вещества. Никто ранее не допировал структуру CYSO ионами Sm³⁺, и, поскольку ученые являлись первопроходцами в этой теме, необходимо было выяснить, какие позиции Ca/Y (координаты x, y, z атомов Ca и Y в кристаллической структуре) может замещать ион Sm³⁺ и как ионы Ca и Y распределены в структуре.

Задача была успешно решена методом Ритвельда. Химическая формула, рассчитанная из полученной структурной модели, оказалась близка к прогнозируемой формуле Ca₂Y₈(SiO₄)₆O₂:Sm³⁺. Это значит, что предложенный метод синтеза верен, и люминесцентные свойства измерены от нужного вещества. Впредь любые научные группы в мире или технологи на заводе могут получить его и использовать в своих целях: оно не защищено патентом и открыто всей науке.

Важно, чтобы вещество было термически стабильным, то есть не сильно изменяло свои физические свойства при нагреве/охлаждении. Например, нагрев светодиода может привести к смещению пика его люминесценции из красной области в оранжевую. При этом индекс цветопередачи CRI светодиода в целом резко падает. Поэтому ученые также исследовали, как изменяются координаты цвета (CIE) данного люминофора от различного приложенного тока, который и вызывает нагрев.

Оказалось, что при различных токах до 150 мА новый люминофор очень слабо изменяет длину волны излучения (то есть при нагреве от больших токов все равно излучает нужный цвет) и остается стабильным, что очень важно для практических целей.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.