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 19-72-10036

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

РуководительБабкина Анастасия Николаевна, Кандидат физико-математических наук

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

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2022 - 06.2024

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными (41).

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

Ключевые словаОптическая 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
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». Актуальность проекта состоит в комплексном подходе к разработке люминесцентных стеклокерамических материалов для красной области спектра, в отличие от большинства исследований, в которых принято проводить точечное изучение свойств определенных оксидных матрицы. Всего за три года Проекта 2019 было синтезировано порядка 300 новых составов. На данный момент определены типы материалов, которые являются наиболее перспективными, однако требуется доработка их состава для получения необходимых свойств для конкретного назначения. Разработка новых материалов - лишь часть исследования на пути к модификации спектрального состава источников излучения для растений в теплицах. Красный и ближний ИК свет в области 670-730 нм позволяет вырабатывать фитохромные пигменты, которые способствуют прорастанию семян, развитию корней, образованию клубней и луковиц. Превалирование красной составляющей в спектре источников освещения растений важно для стимуляции их роста и развития, что может привести к увеличению урожайности на 10-20%. Из всего разнообразия люминесцентных материалов промышленные красные люминофоры лишь частично закрывают эту потребность. В связи с тем, что большинство люминофоров производится за пределами Российской Федерации, сейчас как никогда важно закрыть потребность промышленности и агрохозяйства в отечественных источниках излучения. Более того, направленная разработка новых люминесцентных материалов под нужды конкретных секторов экономики страны позволит, во-первых, увеличить эффективность работы этих секторов при минимальных вложениях, во-вторых, увеличить привлекательность научных разработок для инвестирования со стороны промышленного комплекса. Можно резюмировать, что данный проект посвящен актуальной и важной для данной отрасли знаний тематике. На данный момент стеклокерамика с нанокристаллами перовскитов, которая обладает конкурентными люминесцентными характеристиками, была синтезирована только двумя научными группами в мире за пределами РФ. Разработка данного вида материалов на территории Российской Федерации ведется только в рамках участников научной группы, а результаты исследований уже были апробированы в высокорейтинговых международных изданиях и на международных конференциях. Нанокристаллы перовскитов интересны с точки зрения исследования взаимосвязи люминесцентных и структурных свойств, так как в свободном состоянии они могут существовать в семи различных кристаллических модификациях. В силу того, что активное изучение этого вида нанокристаллов в стеклянной матрице началось только в 2018 году (в том числе и участниками проекта), на данный момент остается множество вопросов. Это один из аспектов, определяющих научную новизну предложенных задач. Направленная модификация спектра излучения светодиодных источников достаточно перспективна и широко используется за рубежом при разработке компактных и промышленных фитотронов и облучателей. Однако в большинстве случаев используются стандартные промышленные одноцветные светодиоды или белые светодиоды с люминофорами, а сами облучатели ограничиваются подбором оптимального соотношения источников излучения разных спектральных диапазонов. Разработка и создание опытных образцов облучателей на основе специально разработанных материалов в большинстве случаев требует сочетания разносторонних подходов и совместную работу людей как с научным, так и с инженерным опытом и определяет научную новизну исследований. 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.

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта будут получены следующие результаты: 1) Оптимизированы химический состав, люминесцентные и структурные свойства боратных и германатных стекол и стеклокерамик состава R2O-R2O3-B2O3-GeO2, легированных ионами хрома 3+, марганца 4+ и нанокристаллами перовскитов, так что разработанные материалы будут химически- и влагостойкие, однородные, с высоким уровнем пропускания и люминесцентной эффективности. Произведен синтез стекол и стеклокерамик, исследован комплекс их физико-химических, спектральных, оптических, люминесцентных, структурных, эксплуатационных свойств. 2) В ходе синтеза и исследования будут получены закономерности между структурой, химическим составом, параметрами кристаллических включений и спектрально-люминесцентными свойствами стеклокристаллических с ионами переходных металлов и нанокристаллов. 3) На заключительном этапе реализации проекта будет создан опытный образец светодиодного излучателя с модифицированным спектром свечения на основе разработанных в рамках проекта оптических стеклокерамических материалах, будет оценена его эффективность, светотехнические характеристики. 4) Полученные результаты будут полностью соответствовать мировому уровню. По результатам проекта планируется публикации 8-ми статей в зарубежных журналах индексируемыми базами Scopus/Web of Science/РИНЦ, в том числе статей с IF> 1 (Q1 и Q2). Особенностью разрабатываемых и исследуемых материалов является то, что они допированы переходными элементами (хром, марганец), которые, в отличие от редкоземельных элементов, во-первых, подвержены сильному влиянию симметрии окружения и, во-вторых, способны находится в разных степенях окисления, проявляя при этом разные свойства, а также нанокристаллическим включениями, которые в широких пределах могут изменять свои спектральные и люминесцентные свойства в зависимости от параметров структуры и типа взаимодействия со стеклообразной матрицей. В рамках настоящего проекта это скорее их преимущество, чем недостаток. На основании этой задачи в качестве матрицы были выбраны несколько стеклообразных систем: боратная и германатная, которые при варьировании модификаторов сетки стекла способны изменять в своей сетке соотношение разных видов структурных единиц. При этом появляется больше возможностей для создания различных видов симметрии окружения ионов-допантов и областей для выделения нанокристаллов. При реализации Проекта 2019 стало очевидно, что оптимальные люминесцентные свойства материала могут быть получены только при условии введения ионов переходных элементов в высокосимметричное окружение, квантовый выход их люминесценции становится больше по сравнению с аморфными материалами. Однако при этом также происходит сужение полосы люминесценции, что затрудняет непрерывное заполнение необходимого спектрального диапазона от 670 до 750 нм, так как при встраивании в кристаллический материал ион-активатор может занимать одно определенное (иногда два) положения в кристаллической решетке. Его свойствами при этом становится тяжело управлять в широких пределах. Вследствие этого в данном проекте в качестве матрицы была предложена стеклокристаллическая система. Таким образом мы можем варьировать соотношением ионов в высокосимметричном и низкосимметричном окружении, получая комплексный спектр излучения, сочетающий как интенсивные узкие полосы, так и широкие малоинтенсивные. Разработка стеклокерамик с нанокристаллами перовскитов оказалась неординарной задачей, так как данные кристаллы, являясь бескислородными, несмотря на свои перспективные люминесцентные характеристики (квантовый выход порядка 90%) требуют защиты от взаимодействия с кислород- и влагосодержащей атмосферой, а также стабилизации определённой кристаллической модификации. В силу того, что в стеклокерамике нельзя напрямую управлять структурными свойствами кристаллов, однако при этом можно их стабилизировать и защитить от нежелательного воздействия, данный материал достаточно интересен для дальнейшей разработки и исследования свойств, в том числе с точки зрения внедрения в облучатели для растений. На этой идее базируется научная значимость представленных задач. На данный момент стеклокерамика с нанокристаллами перовскитов, которая обладает конкурентными люминесцентными характеристиками, была синтезирована только двумя научными группами в мире за пределами РФ. Разработка данного вида материалов на территории Российской Федерации ведется только в рамках участников научной группы, а первичные результаты исследований были апробированы в высокорейтинговых международных изданиях и на международных конференциях. Таким образом результаты проекта не только будут соответствовать мировому уровню исследований, но и конкурировать с ведущими мировыми научными группами. Комплекс новых результатов будет получен на основе междисциплинарного подхода коллектива проекта, включающего специалистов как в области разработки и исследования стеклокерамических прозрачных материалов, так и в области исследования люминесцентных процессов в керамических материалах и разработки источников излучения на их основе. Результаты исследований позволят получить новые люминесцентные наноструктурированные стеклокерамики с возможностью направленного "дизайна" спектрально-люминесцентных свойств для создания эффективных преобразователей излучения и эффективных излучающих систем оптоэлектроники. Проект предлагает решение проблемы увеличения объема урожайности сельскохозяйственных культур при уменьшении площадей посадки за счет разработки нового типа люминесцентного облучателя для растений. Большая часть территории Российской Федерации находится в климатических зонах, непригодных для выращивания теплолюбивых растений. Они, в большинстве случаев, выращиваются в теплицах: либо личного пользования, либо промышленных. При этом если частные теплицы не всегда имеют искусственное освещение, то промышленные теплицы всегда им оснащены, а в настоящее время используются именно светодиодные источники света в качестве источника излучения в связи с большим сроком службы и малым потреблением электроэнергии. Регулирование спектра излучения источников света в теплицах поможет увеличить скорость созревания растений и увеличить объем урожая на 10-20%. Настоящий проект направлен на разработку материалов, которые имеют необходимый для этой задачи спектральный диапазон излучения. В рамках реализации проекта будет разработан опытный образец модульного облучателя для растениеводства с модифицированным спектром излучения на основании полученных стеклокерамических материалов. Результаты реализации Проекта 2019 подтвердили, что разработанные материалы могут конкурировать с промышленными стеклокерамиками, а опыт участников мультидисциплинарной группы проекта позволяет довести фундаментальной проект до практической реализации в экономической сфере. Таким образом, результаты проекта приведут к созданию новой технологии модификации спектра излучения облучателей для растений с целью повышения урожайности сельскохозяйственных культур социального значения и позволили создать научный и технологический задел для обеспечения экономического развития Российской Федерации.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---