Одной из ключевых проблем современной оптоэлектроники и светодиодных технологий считается повышение эффективности преобразования излучения люминесцентных материалов. Традиционные люминофоры в виде порошков, несмотря на высокую эффективность преобразования излучения, обладают низкой теплопроводностью, склонны к деградации. Керамические материалы практически лишены этих недостатков, однако в плотной поликристаллической среде значительная часть генерируемого света теряется из-за полного внутреннего отражения на гладкой поверхности.
Для решения этой проблемы материаловеды ТПУ предложили технологию постобработки светящейся керамики, основанной на механической модификации поверхности материала.
«Существующие подходы, такие как химическое травление, плазменная обработка, либо требуют агрессивных реагентов и специального оборудования, либо изменяют состав поверхности. Мы предложили альтернативу: механическую модификацию поверхности, которая не меняет состав материала, но позволяет управлять его оптическим откликом. При этом ранее влияние механической шероховатости на люминесценцию изучалось преимущественно для однослойных керамик. Наша работа — первое систематическое исследование свойств функционально-градиентной керамической структуры», — объяснила соавтор исследования, инженер-исследователь Научно-образовательного инновационного центра «Наноматериалы и нанотехнологии» ТПУ Дарья Деулина.
Ученые получили образцы функционально-градиентной керамики на основе стабилизированного иттрием диоксида циркония и иттрий-алюминиевого граната, модифицированных ионами церия и европия. Керамику обрабатывали абразивной бумагой из карбида кремния различной зернистости.
Лабораторные эксперименты показали, что такой подход позволил точно регулировать среднеарифметическую шероховатость поверхности. При этом удалось выявить принципиально различную реакцию на механическую модификацию в зависимости от элементного состава материала и его микроструктуры.
Так, для композита, активированного ионами церия, увеличение шероховатости поверхности до 0,83 мкм привело к повышению эффективности фотолюминесценции с 20 % до 24 %. Это улучшение напрямую связано с крупнозернистой микроструктурой материала.
«Установлено, что крупнозернистые абразивы эффективно удаляли нелюминесцентный, механически поврежденный поверхностный слой, образовавшийся в процессе изготовления, не повреждая крупные, глубоко внедренные люминесцентные центры церия. В результате восстанавливался доступ к неповрежденным активным областям, что увеличивало общую светоотдачу. Таким образом, абразивная обработка поверхности служит высокоэффективным методом постобработки для оптимизации оптических характеристик этой керамической системы», — отметила Дарья Деулина.
Напротив, в мелкозернистых системах, легированных европием, хотя механическая обработка не приводит к дальнейшему ухудшению люминесценции (т. е. не наблюдалось значительного негативного воздействия при стандартном обращении или эксплуатационных нагрузках), она также не предоставляет возможности для улучшения характеристик за счет модификации поверхности.
«Это подчеркивает критическую роль микроструктуры, особенно размера зерен, в определении реакции люминесцентной керамики на механическую обработку поверхности. Представленные здесь результаты дают важные рекомендации по рациональному проектированию технологических протоколов при разработке высокоэффективной люминесцентной керамики и функционально-градиентных компонентов для передовых применений в оптоэлектронике», — рассказал руководитель проекта, доцент отделения материаловедения Инженерной школы новых производственных технологий Дамир Валиев.
В исследованиях принимали участие сотрудники Научно-образовательного инновационного центра «Наноматериалы и нанотехнологии» и Инженерной школы новых производственных технологий Томского политеха. Исследование поддержано Российского научного фонда. Результаты работы опубликованы в журнале Ceramics International (Q1, IF: 6).
