Российские ученые совместно с итальянскими коллегами синтезировали новые комплексы диспрозия — химического элемента из семейства лантаноидов, которые способны светиться при облучении. Химики выяснили, что улучшить люминесцентные характеристики этих соединений можно, заменив в их составе молекулы обычной воды на молекулы «тяжелой», а также часть атомов диспрозия на их нелюминесцирующий аналог. Это позволило в два раза увеличить люминесценцию комплексов, а также управлять цветом их свечения. Разработанные подходы могут использоваться для получения материалов для квантовой электроники, оптики и энергосберегающих технологий. Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда.
Сотрудник лаборатории Юрий Белоусов изучает люминесценцию синтезированного комплекса
Фото: Дмитрий Христолюбов
Сотрудник лаборатории Юрий Белоусов изучает люминесценцию синтезированного комплекса
Фото: Дмитрий Христолюбов
Лантаноиды — семейство химических элементов, представители которого обладают уникальными оптическими и магнитными свойствами. Например, многие лантаноидные соединения способны люминесцировать, то есть светиться в ответ на облучение. Поэтому их можно использовать при создании сенсорных материалов, источников белого света и других устройств.
В новой работе ученые из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (Москва), МГУ имени М. В. Ломоносова (Москва), Московского государственного технического университета имени Н. Э. Баумана (Москва) и Университета Камерино (Италия) исследовали люминесценцию комплексов лантаноида диспрозия со сложным органическим лигандом из класса гетероциклических дикетонов. Такие соединения хорошо преобразовывают падающее излучение в собственное с другой длиной волны. Это обеспечивается тем, что органический лиганд выполняет роль антенны — он поглощает внешнее излучение, передавая его на лантаноид, который, в свою очередь, излучает собственный свет.
Сотрудники группы «Молекулярная спектроскопия люминесцентных материалов» ФИАН
Фото: Дмитрий Христолюбов
Сотрудники группы «Молекулярная спектроскопия люминесцентных материалов» ФИАН
Фото: Дмитрий Христолюбов
Существенный недостаток комплексов лантаноидов, как и многих других светящихся соединений, заключается в том, что в них происходит частичное тушение люминесценции. Этот процесс связан с тем, что молекула, приняв на себя электрон при облучении, должна «сбросить» с себя излишек энергии. Это может происходить двумя способами: или благодаря испусканию кванта света, то есть люминесценции, или путем превращения избытка энергии в тепло. Во втором случае излучения не происходит, и поэтому такой процесс называют тушением люминесценции. Существует множество приемов, помогающих уменьшить тушение, но до настоящего времени очень мало исследовалось, как они действуют при совместном применении.
Ученые синтезировали комплексы диспрозия, в которых этот химический элемент частично заменили на другой лантаноид — гадолиний, который не способен светиться. Кроме того, физики предположили, что улучшить свойства соединения можно, заменив обычную воду в его составе на «тяжелую» (D2O), в которой место атома водорода занимает дейтерий.
Образцы синтезированных комплексов при дневном свете и УФ-освещении
Фото: Илья Тайдаков
Образцы синтезированных комплексов при дневном свете и УФ-освещении
Фото: Илья Тайдаков
Оказалось, что после замены молекул обычной воды на «тяжелую» люминесценция затухала втрое медленнее и была в два раза ярче. Как предполагают авторы, это связано с отсутствием связей О-Н в тяжелой воде, где аналогичные связи O-D в меньшей степени рассеивают энергию в виде тепла. У соединений, где часть диспрозия заменили на гадолиний, также уменьшилась скорость затухания люминесценции, а влияние на яркость оказалось более сложным: слишком большая примесь гадолиния приводила к снижению эффективности свечения.
Молекулярная структура одного из синтезированных соединений
Фото: Belousov et al. / Dyes and Pigments, 2022
Молекулярная структура одного из синтезированных соединений
Фото: Belousov et al. / Dyes and Pigments, 2022
Кроме того, это позволило управлять цветом люминесценции. Так, при добавлении гадолиния спектр свечения с желто-зеленого изменялся на белый, близкий к дневному свету.
«Предложенные нами подходы помогут при разработке новых источников белого света, в частности органических светоизлучающих светодиодов. В дальнейшем мы планируем провести подобные эксперименты и с другими лантаноидами»,— рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Илья Тайдаков, доктор химических наук, руководитель группы «Молекулярная спектроскопия люминесцентных материалов» ФИАН.
Использованы материалы статьи «Towards Bright Dysprosium Emitters: Single and Combined Effects of Environmental Symmetry, Deuteration, and Gadolinium Dilution» (Dedicated to Professor Peter Junk, James Cook University, on the occasion of his 60th birthday); Yury A. Belousov, Vladislav M. Korshunov, Mikhail T. Metlin, Daria A. Metlin, Mikhail A. Kiskin, Denis F. Aminev, Nikolay P. Datskevich, Andrei A. Drozdov, Claudio Pettinari, Fabio Marchetti, Ilya V. Taydakov; журнал Dyes and Pigments, март 2022 г.