Физико-химические подходы к синтезу и спектрометрические исследования оксидных стеклокерамик, допированных переходными металлами, для элементов оптико-электронных устройств

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-72-10036

НазваниеФизико-химические подходы к синтезу и спектрометрические исследования оксидных стеклокерамик, допированных переходными металлами, для элементов оптико-электронных устройств

Руководитель Бабкина Анастасия Николаевна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" , г Санкт-Петербург

Конкурс №41 - Конкурс 2019 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые слова Оптическая стеклокерамика, боратная стеклокерамика, силикатная стеклокерамика, переходные металлы, ионы трехвалентного хрома, ионы двухвалентного марганца, люминесценция, красный люминофор, ионы трехвалентного титана

Код ГРНТИ29.19.00, 29.31.23

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время лазерно-оптические и оптоэлектронные технологии, которые принято объединять термином «фотоника», подчёркивая тот факт, что они основаны на испускании (поглощении) фотонов или манипулировании фотонными потоками, стали одним из локомотивов инновационного развития мировой экономики [Дорожная карта по развитию фотоники в Российской Федерации в 2013-2020 г.г. Пояснительная записка]. Сегодня создание функциональных материалов для оптики и фотоники является чрезвычайно актуальной задачей в рамках приоритетного направления развития науки, технологий и техники Российской Федерации «Индустрия наносистем» и критической технологии «Технологии получения и обработки функциональных наноматериалов». За последние 5 лет большой интерес для современной элементной базы фотоники, представляют прозрачные стеклокерамические (СК) материалы [J.Deubenera, M.Allix et al. Updated definition of glass-ceramics, Journal of Non-Crystalline Solids, 501, (2018) pp. 3-10]. Занимая промежуточное положение между кристаллическими материалами и стеклами, они объединяют в себе лучшие свойства кристаллов (высокая механическая и термическая прочность) и стекол (возможность прессования и формования, возможность формирования элементов различной геометрии). В СК, существует возможность создания вокруг ансамбля ионов-активаторов одновременно и упорядоченного и неупорядоченного окружения. При этом проявляется возможность комбинировать свойства ионов-активаторов в аморфных и кристаллических матрицах и получать совершенно новые люминесцентные материалы. Вклад аморфного и кристаллического окружения в свойства материала в целом можно варьировать посредством контролируемой объемной кристаллизации. Настоящий проект направлен на разработку новых люминесцентных оптических стеклокерамик на основе аморфных оксидных матриц, допированных ионами переходных металлов (ПМ) (хрома, марганца, титана), которые впоследствии будут использованы для создания эффективных излучающих систем, работающих в видимой и "красной" области спектра (600-800 нм) и/или в детектирующих системах. Полученные в проекте закономерности по влиянию переходных металлов на спектрально-кинетические характеристики люминесцентных СК позволят получить важную информацию об оптических, физико-механических и люминесцентных свойствах, что даст возможность подбирать оптимальный состав для конкретных применений. Научная новизна планируемых исследований состоит в том, что при легировании комбинированном влиянии стеклообразных или кристаллических систем на оптико-люминесцентные свойства определенных ионов переходных металлов, а именно хрома, марганца и титана, разной валентности. Выбор обозначенных переходных металлов обусловлен эффективной люминесценций как в видимой, так и в "красной" области спектра, при этом вид и положение спектра люминесценции этих ионов отличаются от матрицы к матрице. В настоящее время из-за развития и усложнения научных знаний принято проводить узконаправленные исследования, концентрируясь на изучении свойств определенных оксидных матриц при допировании их различными ионами-активаторами. Из-за этого исследования люминесцентных СК носят достаточно разрозненный характер. При анализе современного состояния проблемы было выявлено, что до сих пор не было проведено комплексного исследования по влиянию структуры и зернистости стеклокристаллической матрицы на оптико-люминесцентные и спектрально-кинетические свойства. В том числе отсутствует систематическое исследование взаимосвязи кинетики кристаллизации и спекания оксидных матриц разного состава на свойства активированных добавок. Недостаточно ясны механизмы влияния дефектов, искусственно создаваемых в стеклокерамической матрице, на излучательные характеристики материала. Не разработаны модели оптически-активных центров в активирвоанных и не активированных переходными металлами наноструктурированных оксидных стеклокерамиках. Нет понимания в характере взаимосвязи структурных факторов (размер и форма зерен и нанокристаллов, их плотность упаковки и распределение), распределения центров люминесценции и спектрально-кинетических, цветовых, энергетических параметров свечения, механизмы переноса энергии возбуждения в стеклокерамической матрице. Характеристики свечения оптических СК, такие как квантовый выход, спектр излучения, кинетические параметры затухания люминесценции, зависят от множества факторов: методы и режимы синтеза, особенности микроструктуры СК; тип, количество и распределение дефектов (центров люминесценции) и допантов. И проблема систематического управления этими параметрами независимо от основы стеклокерамической матрицы до сих пор актуальна. Решение перечисленных вопросов является ключевым при реализации настоящего проекта. С практической точки зрения настоящий проект посвящен актуальной для данной отрасли знаний тематике - разработка материалов для эффективных излучающих систем, работающих в красной области спектра (600-800 нм) и/или детектирующих системах. С фундаментальной точки зрения актуальность проекта связана с исследованиями взаимосвязи структурных, физико-химических, оптических и спектрально-кинетических характеристик стеклокерамических материалов, допированных ионами ПМ. Таким образом, в ходе реализации проекта будут выявлены общие закономерности влияния состава, структуры окружения ионов-активаторов хрома, марганца и титана, распределение центров люминесценции на спектрально-кинетические, цветовые, энергетические характеристики свечения, на механизмы переноса энергии возбуждения и люминесцентные свойства стеклокристаллических материалов. Успешное выполнение данного проекта позволит выйти на новый уровень в подходах к созданию и исследованию оптических материалов нового поколения и получить конкурентные преимущества в такой области высоких технологий, как оптико-электронные приборы и системы.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ