Российские и китайские ученые улучшили состав керамических материалов для преобразования цвета, которые используются в сверхъярких белых светодиодах. Физики добавили в них «светящиеся» ионы церия и показали, что 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. Исследование поддержано грантом президентской программы Российского научного фонда.
Фото: Александр Коряков, Коммерсантъ
Фото: Александр Коряков, Коммерсантъ
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 и иттрий-алюминиевого граната, который содержит небольшое количество ионов трехвалентного церия. 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.
Рисунок 1. Внешний вид и микроструктура композитных керамик-люминофоров при разном содержании ионов церия. Источник: Kosyanov et al. / Journal of Alloys and Compounds, 2021
Рисунок 1. Внешний вид и микроструктура композитных керамик-люминофоров при разном содержании ионов церия. Источник: Kosyanov et al. / Journal of Alloys and Compounds, 2021
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.
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.
По материалам статьи «Al2O3—Ce: YAG Composite Ceramics for High Brightness Lighting: Cerium Doping Effect»; D. Yu. Kosyanov, Xin Liu, A. A. Vornovskikh, A. P. Zavjalova, A. M. Zakharenko, A. A. Kosianova, A. N. Fedorets, O. O. Shichalina, A. A. Leonov, Wanyuan Li, Jiang Li; журнал Journal of Alloys and Compounds, август 2021 г.