​Российские ученые совместно с зарубежными коллегами улучшили состав керамических материалов для преобразования цвета, которые используются в сверхъярких белых светодиодах. Физики добавили в них «светящиеся» ионы церия и показали, что всего небольшого количества достаточно, чтобы обогнать по показателям популярные сегодня аналоги. Предложенная технология позволит создавать энергоэффективные и сверхъяркие светодиодные системы для фар, кинопроекторов и лазерных телевизоров, а также для освещения крупных объектов, например аэропортов. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Alloys and Compounds

Белые светодиоды считаются перспективными источниками освещения будущего поколения, поскольку они энергоэффективны, компактны, а также имеют длительный срок службы и наносят минимальный вред окружающей среде в процессе эксплуатации. Вместе с тем, «идеальные» светодиодные устройства должны сочетать в себе сверхъяркое свечение, иметь регулируемую цветовую температуру натуральных оттенков, высокую цветопередачу и контрастность. Не менее важно для них иметь и хорошие тепловые свойства: высокую жаропрочность, теплопроводность и характеристики термического тушения, которые определяют, насколько снижается интенсивность света при нагреве устройства во время работы. 

В качестве преобразователей цвета — так называемых люминофоров — для подобных «идеальных» светодиодов ученые предложили новый керамический материал на основе оксида алюминия (Al2O3) и иттрий-алюминиевого граната (YAG), который содержит небольшое количество ионов церия (Ce3+). Такие керамики-люминофоры позволяют устройствам генерировать белый свет высокой яркости без видимого термического тушения. При этом многочисленные исследования показали, что главные качества светодиодов — светопередача и цветовая температура — больше всего зависят от концентрации люминесцирующих — то есть излучающих свет при подаче энергии — ионов церия (Ce3+) в материале. Но до сих пор оставалось неизвестным, какое их количество обеспечивает наилучшие световые характеристики.
Исследовательская группа из Дальневосточного федерального университета (Владивосток), Института автоматики и процессов управления ДВО РАН (Владивосток), Института химии ДВО РАН (Владивосток), Института химии твердого тела и механохимии СО РАН (Новосибирск) с коллегами из Шанхайского института керамики Китайской академии наук (Шанхай) и Университета Китайской академии наук (Пекин) изготовила серию керамик-люминофоров. Их основой стали оксид алюминия и иттрий-алюминиевый гранат, в который добавили разное количество ионов церия. 

Все полученные люминофоры показали исключительные тепловые характеристики: при нагреве до 150°C интенсивность их свечения снизилась меньше, чем на 5%. В материалах, использующихся в большинстве коммерческих белых светодиодов, данный показатель падает на 20% и более. При этом оказалось, что чем больше в керамике было ионов церия, тем меньше в ней сохранялось эффективных центров люминесценции, которые и дают свет. Это можно объяснить тем, что между близко расположенными ионами церия происходит перенос энергии без последующего излучения — другими словами, они «тушат» друг друга. Оказалось, что максимальную «светимость» белые светодиоды имеют при концентрации церия всего 0,05-0,1 атомных процента. Вероятно, эти значения обеспечивают наилучший баланс между скоростями поглощения и излучения энергии материалом.
«Наша разработка позволяет исключить многие ограничения традиционных порошковых преобразователей цвета: это и высокие показатели термического тушения, и недостаточная яркость и контрастность света. Предложенные нами материалы необходимы для создания более совершенных портативных проекторов, эндоскопов и дисплеев, кинопроекторов и лазерных телевизоров с диагональю более 100 дюймов, а также осветительных приборов для авто- и авиастроения», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Денис Косьянов, кандидат технических наук, директор НОЦ «Передовые керамические материалы» Департамента промышленной безопасности Политехнического института ДВФУ.
В будущем авторы планируют исследовать влияние так называемых «красных» ионов — гадолиния и празеодима — на свойства керамик. Эти ионы позволят изменить длину волны излучаемого света, что еще более повысит светопередачу и контрастность светодиодов. 

Изображение: внешний вид и микроструктура композитных керамик-люминофоров при разном содержании ионов церия. Источник: Kosyanov et al. / Journal of Alloys and Compounds, 2021. 

Пресс-служба Российского научного фонда. 

Источник: www.poisknews.ru​

Источники

Новые керамические преобразователи цвета сделают светодиоды ярче
Поиск (poisknews.ru), 25/08/2021
Ученые сделали диоды ярче с помощью керамических преобразователей
Столичные новости (stolichnye-novosti.ru), 25/08/2021
Ученые сделали диоды ярче с помощью керамических преобразователей
Вестник Россия (vestnik-russia.ru), 25/08/2021
Ученые сделали диоды ярче с помощью керамических преобразователей
Газета.Ru, 25/08/2021
Ученые сделали диоды ярче с помощью керамических преобразователей
Рамблер/новости (news.rambler.ru), 25/08/2021
Новые керамические преобразователи цвета сделают светодиоды ярче
Российская национальная нанотехническая сеть (rusnanonet.ru), 25/08/2021
Новые керамические преобразователи цвета сделают светодиоды ярче
Российский научный фонд (rscf.ru), 25/08/2021
Светодиоды будут сиять ярче
Российский научный фонд (rscf.ru), 26/08/2021
Ионы церия заставили светодиоды светить ярче
Perm Daily (permdaily.ru), 26/08/2021
Ионы церия заставили светодиоды светить ярче
Russia24.pro, 26/08/2021
Светодиоды будут сиять ярче
Коммерсантъ, 23/08/2021

Похожие новости

  • 18/06/2020

    Цитируемые ученые ТПУ: ториевый реактор, циркониевая керамика и скаффолды, покрытые пленкой оксида графена

    ​Проект «Цитируемые ученые ТПУ» подводит итоги публикационной активности ученых Томского политехнического университета за май. Самый высокоцитируемый соавтор статей ученых ТПУ имеет индекс Хирша 38, а самый высокорейтинговый журнал — импакт-фактор 4,507.
    1001
  • 02/03/2021

    Ученые НГТУ НЭТИ и ИХТТМ СО РАН создали стенд для испытаний деградации аккумуляторов электромобилей

    Ученые Новосибирского государственного технического университета НЭТИ создали лабораторную установку для испытаний литиевых аккумуляторов (ЛИА) для электромобилей с целью определения деградационной стойкости аккумуляторов.
    807
  • 17/10/2019

    Кремниевый детектор в 5 раз улучшил качество «картинки» на станции синхротронного излучения

    Ученые Института ядерной физики СО РАН им. Г.И. Будкера (ИЯФ СО РАН) и НГТУ НЭТИ разработали и изготовили детектор рентгеновского излучения на основе кремниевого микрополоскового сенсора для синхротронной станции «Плазма» на накопителе ВЭПП-4.
    1127
  • 06/02/2020

    Новосибирские ученые опубликовали единый обзор расчетных методов исследования фазовых переходов органических веществ при высоких давлениях

    ​Исследователи лаборатории физико-химических основ фармацевтических материалов Факультета естественных наук НГУ и Института химии твердого тела и механохимии СО РАН составили единый обзор существующих расчетных методов для исследования фазовых переходов органических веществ при высоких давлениях.
    940
  • 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.
    2293
  • 21/10/2020

    ИК СО РАН и МИСиС создали совместную лабораторию

    ​В НИТУ «МИСиС» создана научно-исследовательская лаборатория MISIS Catalysis Lab, созданная совместно с Институтом катализа им. Г. К. Борескова СО РАН (г. Новосибирск). Основное направление деятельности — решение практических задач в области химического синтеза, промышленного катализа и аддитивных технологий.
    738
  • 01/02/2021

    ИК СО РАН запустил еженедельный онлайн-семинар для будущих пользователей ЦКП «СКИФ»

    Лаборатория перспективных синхротронных методов исследования (ЛПСМИ) Института катализа СО РАН провела первую серию семинаров для объединения потенциальных отечественных пользователей ЦКП «Сибирский кольцевой источник фотонов» и обмена опытом по использованию синхротронного излучения (СИ) в различных областях науки.
    1118
  • 21/10/2019

    Как делают науку в Сибири

    Чем живет сибирская наука? Обычно мы слышим об ученых либо в связи с прорывными и особо интересными открытиями. Либо благодаря созданию новых научных объектов, таких как ЦКП СКИФ. Либо, как это ни печально, из-за каких-либо конфликтов.
    2006
  • 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.
    2838
  • 25/02/2021

    Новосибирские химики создали полностью твердотельное электрохимическое устройство

    ​​Ученые из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН в коллаборации со специалистами из Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН получили композиционный твердый электролит с высокой проводимостью.
    721