Метан-водородная плазма позволила управлять спектром свечения алмазных композитов

Ученые выяснили, что в условиях СВЧ-плазмы — нагретой до нескольких тысяч градусов смеси метана и водорода — ионы европия присоединяют электроны, что приводит к изменению их спектра свечения. Светящиеся частицы, содержащие европий, входят в состав материалов для детектирования невидимого человеческому глазу рентгеновского излучения. Знание о том, какие изменения происходят с европием, позволит точнее настраивать детекторы и тем самым увеличить их эффективность. Исследование поддержано грантом президентской программы Российского научного фонда.

Рентгеновское излучение широко используется в медицине для выявления опухолей, заболеваний костей и других патологий, а также в системах досмотра багажа. Кроме того, его применяют ученые при исследовании строения кристаллов, а также для определения химического состава различных веществ и отдельных молекул. В этих случаях исследователи используют очень мощное излучение — в сотни тысяч раз сильнее, чем в обычных рентгеновских аппаратах. Поскольку сами по себе рентгеновские лучи невидимы, их сложно направлять точно на нужную мишень.

Ранее ученые из Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН (Москва) с коллегами синтезировали композиционный материал, позволяющий визуализировать рентгеновское излучение. Основой композита служил алмаз со «встроенными» в него наночастицами фторида европия и фторида стронция с добавлением европия. Чтобы поместить наночастицы в алмазную «оболочку», авторы синтезировали последовательно слои алмаза, затем европий-содержащего вещества и снова алмаза в СВЧ-плазме — нагретой до нескольких тысяч градусов смеси метана и водорода. Когда на получившийся материал попадают рентгеновские лучи, наночастицы начинают светиться (люминесцировать), тем самым позволяя детектировать рентгеновское излучение. Эксперименты показали, что спектр свечения «упакованных» в алмаз наночастиц отличается от исходного вещества.

В новой работе авторы в сотрудничестве с исследователями из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (Москва) исследовали, почему свечение европия меняется при его внедрении в алмаз СВЧ-методом. Для этого авторы сымитировали условия синтеза в СВЧ-плазме, нагревая порошки до температуры от 600 до 900 °C с выдержкой от пяти минут до трех часов.

Оказалось, что свечение наночастиц меняется из-за протекания химической реакции между наночастицами и водородом плазмы. В ходе нее образуются гидриды европия и стронция, что отражается на оптических свойствах всего материала.

Авторы также выяснили, что, варьируя температуру и длительность обработки наночастиц, можно тонко «настраивать» их свечение. Например, добиться узкого (в одной определенной длине волны) спектра излучения или же широкого — когда европий испускает свечение сразу на многих длинах волн.

«Полученные нами результаты позволят точно настраивать спектр свечения уже существующих композитов, а значит, повысить их эффективность. Кроме того, зная, какие изменения происходят с наночастицами в СВЧ-плазме, мы сможем существенно расширить спектр веществ, пригодных для внедрения в алмаз. В свою очередь, это может привести к улучшению производительности и безопасности научных и медицинских рентгеновских систем. В дальнейшем мы планируем провести исследование наночастиц с другими люминесцирующими редкоземельными элементами для выработки общей эффективной стратегии управления спектром люминесценции алмазных композитов», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Артем Мартьянов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории алмазных материалов Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН.

Подготовлено при поддержке РНФ
Использованы материалы статьи.