Материал для эффективного преобразования энергии, не имеющий аналогов в природе, создала и успешно испытала группа российских и китайских ученых. Как сообщает пресс-служба Уральского федерального университета (УрФУ), разработку можно применять в самых разных сферах: в работе с фотодетекторами, биосенсорами, светодиодами, дисплеями, приборами нового поколения (квантовыми, фотонными и др.). Также изобретение поможет конструкторам и пользователям элементов навигационных систем, устройств управления приборами, машинами и процессами.
Помимо представителей УрФУ, в исследованиях приняли участие ученые Института электрофизики и Института физики металлов УрО РАН, Гонконгского политехнического и Нанкинского университетов. Базовым материалом разработчики сделали тонкие пленки оксида редкоземельного металла гадолиния. Обычно их применяют для преобразования энергии электромагнитного излучения и обеспечения работы разнообразных датчиков.
Пленки оксида гадолиния получили, обработав подложки из кварцевого стекла гадолиниевой плазмой. Потом пленки дополнительно подвергли «бомбардировке» пучками ускоренных ионов висмута. Оксиды редкоземельных металлов, к которым относится гадолиний, обычно легируют ионами других редкоземельных металлов. У таких ионов очень узкие спектральные линии поглощения и излучения, поэтому преобразование энергии происходит в ограниченном спектральном диапазоне, но это уменьшает эффективность процесса конверсии света. Поэтому исследователи допировали (модифицировали) пленки оксида гадолиния ионами висмута, который не причисляют к редкоземельным металлам.
«Пленки оксида гадолиния, легированные ионами висмута, характеризуются богатством и разнообразием дефектов, способствующих образованию оптических эмиссионных центров — центров фотолюминесценции», — объяснил профессор физико-технологического института УрФУ, руководитель исследований Анатолий Зацепин.
Ученые имплантировали в пленки оксида гадолиния ионы висмута трех видов, как одиночные, в разном зарядовом состоянии, так и парные. Имплантация привела к образованию трех обособленных оптически активных центров. Энергия фотонов, поглощенная пленками оксида гадолиния, передавалась оптическим центрам, которые демонстрировали излучение в красном, зеленом и синем спектральных диапазонах. Каждый из трех центров свечения проявлял себя как индикатор воздействия того или иного вида излучения. Таким образом, в преобразовании энергии участвовал широкий диапазон как поглощаемого ультрафиолетового света, так и излучаемого видимого.
«Благодаря одновременной „бомбардировке“ исходного оксида гадолиния ионами висмута мы в одном материале получили целый набор вариантов преобразования световой энергии. Технология получения материала отличается быстродействием и минимальными потерями энергии. При этом, если мы понимаем физический механизм возбуждения люминесценции и преобразования энергии, значит, можем им управлять. Иначе говоря, целенаправленно варьировать свойства легированных пленок, добиваясь наилучших результатов, в зависимости от области применения пленок и содержания задач и, следовательно, максимальной экономичности их использования», — рассказала старший научный сотрудник Научно-исследовательской лаборатории «Физика функциональных материалов углеродной микро- и оптоэлектроники» УрФУ Юлия Кузнецова.
По ее словам, ученые изучают перспективу создания миниатюрного сенсора, который поможет быстро и точно определять различные виды излучения по цвету индикаторного свечения.
Статья с описанием материала опубликована в The Journal of Alloys and Compounds. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда.
