Исследователи из Сибирского федерального университета вместе с китайскими коллегами синтезировали материалы из перовскитов, которые могут менять цвет излучения в рекордно широком диапазоне. Этот показатель регулируется содержанием ионов европия и длиной волны падающего ультрафиолетового излучения.

Работа ученых опубликована в журнале Chemical Communications.

«Умные» лампы, которые регулируют уровень освещенности, не только повышают уровень комфорта для пользователей, но и позволяют экономить значительное количество электроэнергии. Сенсоры в таких устройствах определяют, изменились ли внешние условия, а светодиоды усиливают или тушат свет, чтобы компенсировать разницу. В таких системах можно задать цвет для возможного дизайна интерьера, а также цветовую температуру света: холодный с синим оттенком или теплый желто-оранжевый.

«Сегодня на рынке уже существуют устройства, которые смешивают три цвета с помощью либо трех разных светодиодов, либо трех одинаковых УФ-светодиодов, покрытых разными люминофорами. Мы же предлагаем, наоборот, использовать разные УФ-светодиоды с одним люминофором. Это относительно новое решение, таких устройств еще нет, — говорит один из авторов работы, доцент кафедры физики твердого тела и нанотехнологий СФУ, старший научный сотрудник лаборатории кристаллофизики Института физики СО РАН Максим Молокеев. — В лабораторных условиях материалы с похожими свойствами уже получали. Преимущество нашего решения — это дешевизна люминофора. Высока вероятность, что такое устройство может скоро появиться на рынке».

Чтобы получить стабильный белый свет, лучше всего использовать для этого излучение от одного люминофора, а не их смеси. Иначе ощущение белизны света может меняться со временем или с изменением условий окружающей среды. Однако исследователи пока не нашли материал, который способен гибко изменять спектр излучения во всем видимом диапазоне.

Авторы нового исследования предложили в качестве такого люминофора перовскиты с ионами висмута и европия.

Кристаллы перовскита состоят из структурных элементов в виде октаэдров с центральными ионами металлов и вершинами из атомов кислорода. Октаэдры разделены пустотами, в которых располагаются ионы металлов другого типа.

Ионы висмута распределены по кристаллу в случайном порядке. Они составляют лишь малую часть всех элементов материала. Эти металлы поглощают ультрафиолетовый свет и преобразуют его в видимый. Цвет такого излучения зависит от того, какие атомы окружают ион. При стабильном окружении цвет остается постоянным.

Однако исследователи обнаружили, что в матрице перовскита ионы висмута могут изменять цвет излучаемого света от синего до зеленого (460–530 нм) в зависимости от длины волны падающего УФ-излучения (325–350 нм).

Используя метод рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии авторы нашли объяснение такому механизму преобразования света в исследуемом материале.

Они выяснили, что в решетке кристалла имеется недостаток атомов кислорода. Кислородные вакансии оказались распределены по кристаллу случайным образом и иногда вблизи положительно заряженных ионов висмута Bi³⁺.

Локальный суммарный заряд такой системы становится сначала положительным, а затем под действием ультрафиолета ион висмута захватывает электрон, и заряд системы становится нейтральным. Спектральные характеристики иона меняются: поглощение в УФ-диапазоне смещается ближе к видимой области, а цвет излучения постепенно переходит в зеленую область.

Чтобы покрыть всю область видимого спектра, авторы добавили еще один элемент, который бы мог излучать красный свет, а также поглощать часть энергии ионов висмута. На это оказался способен ион европия Eu³⁺.

Благодаря перекрыванию по длинам волн его спектра поглощения с флуоресценцией висмута ученым удалось добиться эффективного переноса энергии с атомов и необходимых параметров излучения.