Синтезирован новый материал для развития фотонных технологий

Международный коллектив ученых из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Российского химико-технологического университета им Д.И. Менделеева, Университета Кан-Нормандия (Франция) и Чешского технического университета в Праге (Чехия) разработал новые уникальные люминофоры на основе стекол в системе хлорид свинца – диоксид теллура, активированных ионами редкоземельных металлов. Исследование открывает новые возможности для потенциального применения разработанных стекол для дизайна инфракрасных материалов и волоконно-оптических устройств для медицины и электроники (лазеры, усилители). Результаты работы опубликованы в Journal of Non-Crystalline Solids.

Стекла на основе диоксида теллура (теллуритные стекла) — это уникальные материалы с нелинейными оптическими свойствами, которые во много раз превосходят силикатные стекла, а также обладают высокой прозрачностью в инфракрасном диапазоне и электропроводностью, что делает их востребованными в оптике, электронике и для защиты от радиации. Их получают, смешивая диоксид теллура с оксидами других металлов. Например, смесь с оксидом молибдена позволяет получить устойчивые стеклообразные структуры с заданными свойствами.

К преимуществам таких стекол относятся химическая стойкость, термическая стабильность, относительно низкие энергии фононов (около 800 см⁻¹), широкий диапазон пропускания и хорошая растворимость соединений редкоземельных элементов. Введение оксидов и галогенидов тяжелых металлов Me_xX_y (где Me = цинк, молибден, кадмий, сурьма, барий, свинец, висмут, а X = фтор, хлор, бром и йод) в состав стекла значительно повышает прозрачность как в ультрафиолетовом, так и в инфракрасном диапазонах спектра, а также улучшает эффективность люминесценции редкоземельных активаторов. В то время, как оксидные и оксофторидные системы активно изучались в качестве люминесцентных и лазерных сред, оксохлоридные системы остаются относительно малоизученными.

Несмотря на большой потенциал введения хлорида свинца в качестве модификатора в матрицу теллуритных стекол для улучшения люминесцентных характеристик в среднем инфракрасном-диапазоне, какие-либо исследования спектрально-люминесцентных свойств таких стекол в спектральном диапазоне 2–3 мкм не известны. Одной из причин является сложность синтеза оксохлоридных стёкол ввиду склонности к пирогидролизу (высокотемпературный распад неорганических веществ под действием водяного пара) и большого количества остаточных гидроксильных-групп, которые тушат люминесценцию.

Ученые из России, Франции и Чехии впервые синтезировали и подробно изучили спектрально-люминесцентные свойства системы хлорид свинца – диоксид теллура легированные ионами редкоземельных металлов тулия, эрбия и гольмия (PbCl₂-TeO₂-ReF₃, где Re = Tm, Er, Ho).

Исследование прокомментировала заведующая Лабораторией высокочистых веществ ИОНХ РАН, доктор химических наук Мария Николаевна Бреховских: «За счёт грамотного подбора условий синтеза методом закаливания расплава удалось избежать пирогидролиза хлорида свинца и получить стёкла с небольшим содержанием остаточных гидроксильных-групп. Введение галогенидного модификатора (фтор, хлор, бром и йод) позволяет уменьшить энергию фононов матрицы, что важно для люминесценции редкоземельных-ионов в коротковолновом инфракрасном диапазоне спектра. Благодаря низкой энергии фононов эта система особенно подходит для генерации лазерного излучения в диапазоне длин волн 2–3 мкм, широко применяемом в медицине (терапия, хирургия). Предложенные стёкла продемонстрировали исключительные спектрально-люминесцентные характеристики: времена жизни возбуждённых состояний ионов тулия, эрбия и гольмия (Tm₃₊, Er₃₊ и Ho₃₊) существенно больше, чем у аналогичных оксидных и оксофторидных стёкол (например, системы оксидов цинка и натрия с диоксидом теллура (ZnO-Na₂O-TeO₂), фторида бария с диоксидом теллура (BaF₂-TeO₂)). Это является преимуществом для потенциального применения в оптических усилителях. Важно отметить, что в этом исследовании люминесценция в диапазоне 2- 3 мкм получена и подробно охарактеризована впервые для стёкол, содержащих хлорид свинца (PbCl₂)».

По словам исследователей, представленное комплексное исследование синтезированных оксохлоридных теллуритных стекол, легированных ионами редкоземельных металлов показало их исключительные преимущества для фотонных технологий (медицина, электроника), по сравнению с другими типами применяемых стёкол. В дальнейшем авторы планируют вытягивание оптических волокон на основе исследованных стёкол.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках государственного задания ИОНХ РАН.