Люминесцентную керамику заставили светиться ярче с помощью обычного абразива

Иногда инновационному материалу для повышения светимости не нужно менять состав. Яркость люминесцентной керамики увеличили с помощью шкурки.

Дмитрий ПавловАвтор Hi-Tech Mail

Исследователи Томского политехнического университета нашли способ повысить светимость люминесцентной керамики на основе иттрий-алюминиевого граната (ZrO2-Y2O3/Y3Al5O12) без изменения ее химического состава. Для этого материал подвергли обычной механической обработке с помощью карбид-кремниевой абразивной бумаги. Работа опубликована в международном журнале Ceramics International.

Речь идет о специальной керамике, которую используют в оптоэлектронике и светодиодной технике. Ее преимущество перед традиционными порошковыми люминофорами — большая устойчивость и способность лучше работать при высоких температурах. Но есть парадоксальный нюанс: гладкая поверхность керамики мешает части излучения покинуть материал. Свет отражается внутрь и в итоге не используется по назначению.

Томские ученые решили воздействовать не на состав керамики, а на ее поверхность. Образцы обрабатывали абразивом с разной зернистостью и затем проверяли, как изменение микрорельефа влияет на люминесценцию.

Результат оказался особенно заметным для керамики, активированной ионами церия. При определенной степени обработки, когда средняя шероховатость поверхности достигла 0,83 мкм, эффективность фотолюминесценции увеличилась с 20% до 24%.

Ученые нашли «лишний» слой, который мешал керамике светиться

Почему сработала столь простая процедура? Дело оказалось в микроструктуре материала.

При изготовлении керамического образца на его поверхности появляется поврежденный слой. Он практически не участвует в процессе люминесценции, но при этом может влиять на выход света. Более крупнозернистый абразив позволяет снять этот поверхностный участок, не повреждая расположенные глубже активные центры, связанные с ионами церия.

Иными словами, исследователи не стали заставлять материал светиться за счет новой химической реакции. Они убрали часть того, что мешало уже имеющейся структуре эффективно отдавать свет наружу.

При этом одинакового эффекта для всех образцов получить не удалось. Керамика, активированная европием, повела себя иначе. В мелкозернистом материале механическая обработка поверхности не привела к ухудшению люминесцентных характеристик, однако заметного усиления свечения тоже не произошло.

Это показало, что универсальной настройки для такой обработки нет: результат зависит от микроструктуры керамики и от того, какой именно редкоземельный элемент используется в качестве активатора.

Вместо химии — абразив

У найденного подхода есть еще одна особенность. Для изменения свойств поверхности не потребовались химические реагенты или сложные установки для плазменной обработки. Исследователи использовали механический способ, который позволяет контролировать шероховатость поверхности и при этом не менять химический состав материала.

Для практических технологий это может иметь значение. Если материал уже обладает нужными свойствами, но часть его оптического потенциала теряется на поверхности, не обязательно сразу менять рецептуру или разрабатывать новый состав. В некоторых случаях достаточно подобрать режим обработки самой поверхности.

Мы предложили альтернативу: механическую модификацию поверхности, которая не меняет состав материала, но позволяет управлять его оптическим откликом.Дарья Деулинаинженер-исследователь ТПУ.

Исследование продолжает направление работ с люминесцентными материалами, которые могут использоваться в оптоэлектронике. На эту тему ранее выходили публикации и на Hi-Tech Mail. Например, мы рассказывали о перовскитных нанокристаллах во фторополимерной оболочке с долгоиграющим зеленым свечением.

Еще одна публикация посвящена теллуритному стеклу, способному люминесцировать в среднем инфракрасном диапазоне 2–3 мкм. Такой диапазон интересен для различных фотонных и оптических технологий.

российские ученыеФизикаПоделиться