Международная группа учёных синтезировала и изучила соединение, которое поможет значительно удешевить производство светодиодов для получения белого света, имитирующего солнечный. Такие диоды широко применяются в освещении жилых и производственных помещений, для наружной рекламы и выращивания растений предприятиями агропромышленного комплекса. Новое соединение принадлежит к семейству металлгалогенных — диоды, изготовленные на его основе, будут значительно дешевле произведённых с применением ценных редкоземельных металлов. Также отмечается их устойчивость к высоким температурам и высокая «светоносность», достигаемая за счёт усиленной квантовой отдачи. Основные итоги исследования опубликованы в авторитетном журнале Angewandte Chemie — International Edition.

В современном мире существует острая потребность в дешёвых и энергоэффективных светодиодах с хорошим индексом цветопередачи. Это особенно актуально для стран БРИКС, где процессы индустриализации и урбанизации протекают очень быстро, ежедневно увеличивая потребность в доступной энергии. Проблема создания чистого белого излучения, которое органично воспринимается растениями и не раздражает человеческий глаз, актуальна как никогда. Большинство современных решений предполагает использование в конструкции светодиодов (WLED) редкоземельных элементов — это не просто дорогое удовольствие, гораздо опаснее, что ресурс (добывающийся, кстати, в основном в Китае и России) постепенно истощается и является невосполнимым.

«Мы обратились к металлгалогенным соединениям как к более дешёвой и доступной альтернативе. В них зафиксировано много случаев люминесценции от экситонных состояний (это особое электронное возбуждение в материале). Обычно люминесценция происходит при переходах электронов между разными энергетическими уровнями атомов, и на практике очень часто используют редкоземельные элементы, которые дорого стоят и могут закончиться в обозримом будущем. Экситоны же формируются во многих соединениях, и делают это без участия редкоземельных элементов. Фактически работая с этими „демократичными" в плане стоимости и распространённости соединениями, мы можем существенно удешевить производство люминесцентных материалов и насытить недорогими, но качественными светодиодами развивающиеся страны (в первую очередь Китай, где производится большинство экспортируемых в другие страны мира товаров — в том числе, сельскохозяйственная продукция, которая нуждается в круглосуточном хорошем освещении подобием солнечных лучей)», — сообщил доцент кафедры физики твёрдого тела и нанотехнологий СФУ, старший научный сотрудник Института физики им. Л. В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН Максим Молокеев.

Учёный объяснил, что соединение (C9NH20)9[Pb3Br11](MnBr4)2, синтезированное его китайскими коллегами, уже было получено ранее в виде монокристалла другой научной группой. Но вот незадача — предшественники не сумели верно расшифровать созданную в лаборатории структуру. Исследователи из Гуанчжоу, Красноярска, швейцарских Цюриха и Дюбендорфа стали первыми в мире, кто предложил верную структуру нового материала, изучив, к тому же, вопрос излучения, которое получается довольно непривычным путём — с помощью уже упомянутых экситонных состояний.

«Могу выделить несколько ярких преимуществ нового материала: он стойко переносит высокие температуры, и когда мы облучаем его ультрафиолетовым излучением, на выходе получаем очень качественный и мощный поток квантов — это „щедрый" материал. На каждый затраченный ватт энергии мы получаем превосходное количество полезного света (до 90 люмен, для сравнения — лампы накаливания дают 4–15 люмен с каждого ватта)», — уточнил Молокеев.

Учёные раскрыли принцип работы нового соединения: органические молекулы формируют непроводящий слой (по-научному диэлектрический) между полиэдрами, содержащими металл (недорогие общедоступные свинец или цинк). Диэлектрический слой провоцирует формирование экситонов на металлических полиэдрах. Результатом снятия этих возбуждений становится излучение в видимом спектре, ради которого всё, в общем-то, и затевалось.

Тренд на разработку материалов, не использующих редкоземельные элементы, родился в Китае, заинтересованном в сохранении своих природных ископаемых. Практически все современные светильники (и ртутные, и светодиодные) используют дорогие редкоземельные металлы, а значит — нужно пытаться собрать люминесцентный слой ламп из простых химических элементов, которым не грозит исчезновение в лица Земли в ближайшие столетия.

Подчёркивается, что исследование было поддержано грантом РФФИ (БРИКС) 2020-2022 г. «Низкоразмерные галоиды металлов с широкополосной эмиссией и их применение в световых диодах».

Пресс-служба СФУ, 20 декабря 2019 г.

Похожие новости

  • 14/10/2019

    Ученые синтезировали металлоорганический полимер на основе кобальта с изменяемой пористой структурой

    Международный коллектив исследователей синтезировал новый вид металлоорганического материала на основе кобальта, который способен менять свою структуру. Соединение оказалось более стабильным и эластичным, чем его предшественники на основе других металлов.
    286
  • 30/11/2017

    Синтез химиков и физиков

    За одной написанной химической формулой может скрываться сразу несколько различных веществ и структур. Так, оксид железа имеет ряд фаз, и только одна из них позволяет получать магнитные наночастицы для производства, например, более продуктивных жестких дисков.
    1016
  • 09/04/2019

    Сибирские ученые оптимизируют работу электронных дисплеев органическими полупроводниками

    ​Ученые Новосибирского государственного университета (НГУ) займутся исследованием свойств органических полупроводников (материалов, используемых в электронике), чтобы повысить эффективность используемых сейчас электронных дисплеев, сообщил ТАСС руководитель лаборатории органической оптоэлектроники НГУ Евгений Мостович.
    924
  • 24/12/2019

    Выбор РИА Новости: главные достижения российской науки 2019 года

    ​Ученые в России в нынешнем году получили знаковые результаты в самых разных областях – от астрономии до археологии, причем многие достижения имеют выходы на практическое применение. Примечательно, что существенную лепту здесь внесли не только признанные научные центры, но и ведущие отечественные вузы.
    263
  • 24/04/2018

    Как сделать жилье более доступным и экологичным?

    ​​Дом - это что-то теплое, уютное и, на первый взгляд - очень консервативное. Но на самом деле и строительство попевает за техническим прогрессом. Как сделать жилье более доступным, дешевым, экологичным? Мы создали краткий обзор тенденций и технологий будущего, которые появляются уже сейчас.
    1266
  • 14/01/2016

    Наноструктурные агенты - для новой противораковой терапии

    ​Международная группа исследователей из России, Словении, Германии, США и Израиля во главе с учеными из Института физики прочности и материаловедения (ИФМП) СО РАН и Томского политехнического университета (ТПУ) уже несколько лет успешно работает в области применения нанотехнологий для подавления роста раковых клеток.
    2562
  • 24/09/2018

    Журнал Mendeleev Communications опубликовал Focus Article сибирских учёных

    Журнал Mendeleev Communications опубликовал Focus Article сибирских учёных, посвященную новому научному направлению, созданному в ННЦ СО РАН и получившему международное признание. Авторы – сотрудники НИОХ, ИНХ и ИХКГ СО РАН, связанные также с ФЕН и ФФ НГУ.
    796
  • 23/09/2019

    Учёные изучили неожиданные свойства разупорядоченных нанорешёток

    Учёные Сибирского федерального университета совместно с коллегами из Королевского технологического института (Стокгольм, Швеция), Федерального Сибирского научно-клинического центра ФМБА России (Красноярск), Института физики им.
    378
  • 21/10/2019

    Ученые исследуют двумерные спектры ЯМР спектроскопии

    Спектроскопия ЯМР в двух измерениях является одним из наиболее важных спектроскопических методов изучения биологически важных молекул. Однако, ввиду относительно низкой чувствительности ЯМР спектроскопии, для получения таких спектров зачастую требуются десятки минут и даже часы.
    193
  • 08/11/2019

    Научный подход: работа сотрудников МТЦ и НИОХ СО РАН

    ​В недавней совместной работе сотрудников Международного томографического центра и специалистов НИОХ СО РАН впервые показано, что фотовозбужденные триплетные фуллерены могут быть успешно использованы как спиновые метки для измерения расстояний на нанометровой шкале в биомолекулах с помощью спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).
    292