Яркие и экологичные – сегодня светодиоды нашли широкое применение в качестве бытовых источников света: в офисах, магазинах и домашних светильниках. Однако у них есть свои особенности, а устройство сложнее, чем кажется на первый взгляд.
Почему при светодиодном освещении красное яблоко может выглядеть синим? Что такое люминофоры и зачем ученым понадобилось их исследовать?
Об этом и многом другом порталу наука.рф рассказала автор разработки новых оптических материалов для светодиодов, лауреат стипендии Президента РФ для молодых ученых в 2021-2023 годах, доцент кафедры химической технологии и новых материалов химического факультета Московского государственного университета (МГУ) им. М.В. Ломоносова Дина Дейнеко.
В поисках идеального кандидата
Одна из главных особенностей светодиодных ламп – цветовые характеристики. Так, при определенном освещении цвет у предметов может выглядеть неестественно. Например, замечали ли когда-нибудь, что красное яблоко может показаться немного синим? Дело в том, что многие белые светодиоды содержат люминофоры – вещества, способные превращать поглощаемую энергию в световое излучение в том или ином диапазоне (такое явление называется фотолюминесценцией). Однако у такого излучения могут быть провалы в красной области спектра. Чтобы исправить подобные дефекты и приблизить освещение к натуральному, для белых светодиодов нужны люминофоры именно этого цвета.
Уже долгое время ученые всего мира занимаются поиском и синтезом новых люминофоров. Главная задача – собрать люминесцентный слой для ламп из простых и в то же время эффективных химических элементов. Но до сих пор у предлагаемых соединений оказывались те или иные недостатки. Так, у тех, что были на основе силикатов, часть энергии переходила в тепло, а у компонентов, в состав которых входили нитриды, сложная технология производства.
«Необходимо подобрать объекты, подходящие под важные технологические критерии: стабильность (как химическая, так и при воздействии повышенных температур), доступность синтеза, отсутствие необходимости в специальной утилизации и, наконец, возможность получить эффективные, «яркие» люминофоры», – объясняет специалист.
Российские исследователи под руководством кандидата химических наук Дины Дейнеко предложили использовать фосфат кальция. Несмотря на простую химическую формулу, его строение достаточно сложное. При этом в него можно вводить различные элементы, не нарушив структуру. Кроме того, такие соединения чрезвычайно стабильны, а значит, люминофоры на их основе прослужат долго без какой-либо деградации. Еще одно достоинство – фосфат кальция плавится без разложения только при температуре около 1500 °C. Таких температур в LED-устройствах, конечно, не бывает. Зато новые элементы точно подойдут для ламп высокой мощности и не будут выделять вредных веществ.
Не требует дорогих металлов
Еще одна общая проблема всех LED-устройств в том, что для их производства необходимы дорогие редкоземельные элементы (РЗЭ). Дейнеко изучила кристаллические структуры, в которые можно добавлять редкоземельные металлы, активные с точки зрения люминесцентных свойств. В ходе экспериментов в образцы вводились РЗЭ в разных количествах и сочетаниях. Важно было получить при их минимальном расходе наиболее интенсивные свойства. Так выяснилось, что у люминофоров на основе фосфатов кальция есть еще одно преимущество: по сравнению с другими вариантами они требуют наименьшего количества ценных металлов.
Сама технология получения новых пигментов относительно простая. Сначала исходные реагенты тщательно перемешиваются в специальных мельницах, затем помещаются в печь, где проходят тепловую обработку.
«В идеале люминофор можно получить за одну стадию: смешали и поставили в печь. Но так бывает не всегда. Нужно внимательно следить за процессом и при необходимости корректировать, чтобы менять размер частиц. С одной стороны, чем меньше частица, тем легче ее наносить. Но тогда площадь их общей поверхности становится больше. А это значит, что на ней могут возникать дефекты», – рассказывает автор исследования.
Осветить городские улицы… и имплантаты
Исследования проводятся при поддержке Российского научного фонда (РНФ), а результаты не раз были представлены на различных выставках. По словам Дины Дейнеко, разработкой уже заинтересовались в Мурманской области. В этом регионе искусственное освещение очень важно с учетом продолжительной полярной ночи, а новые люминофоры при пониженных температурах работают эффективнее.
Сейчас ученые также исследуют пигменты, которые будут полезны в биомедицине. Например, при изготовлении костных имплантатов, чтобы контролировать процесс заживления и восстановления костных тканей, можно визуализировать отдельные элементы. Новые вещества также создаются на основе фосфатов, однако здесь уже важно учитывать биосовместимость.
В целом, по мнению специалиста, перспективное направление в этой области – персонализация, причем как освещения, так и медицинских технологий. Однако, чтобы активнее внедрять подобные разработки, необходимо наладить в России производства полного цикла, в том числе LED-устройств.
Анна Шиховец
