Уральские ученые с коллегами из Индии разработали нанокерамику, которая люминесцирует тремя основными цветами — красным, зеленым и синим. Новый материал, созданный под высоким давлением, оказался крайне прочным. Как сообщает пресс-служба Уральского федерального университета, характеристики нанокерамики — свечение, прочность и прозрачность — помогут при создании экранов с улучшенной яркостью и детализацией для смартфонов, телевизоров и других устройств.

«Мы получили оптически прозрачную нанокерамику, которая способна люминесцировать красным, зеленым и синим цветами. Это стало возможным благодаря добавлению частиц углерода, которые выступили в качестве углеродных наноточек. В процессе синтеза углеродные компоненты становятся заключенными между частицами керамики, что образует дефекты на их поверхности. Мы полагаем, что эти дефекты создают ряд энергетических уровней в углеродных наноточках, благодаря чему материал может светиться разными цветами в видимом спектре», — рассказал соавтор работы, доцент кафедры физических методов и приборов контроля качества УрФУ Арсений Киряков.

Углеродные наноточки — кластеры углеродных атомов размером в несколько нанометров. Эти кластеры характеризуются особым типом ковалентной связи и активной поверхностью. Благодаря этому эффективность свечения углеродных наноточек может достигать 70 %. Это позволяет использовать их в качестве светоизлучающего вещества при создании дисплеев.

«Поскольку наша нанокерамика способна обеспечить все три базовых цвета спектра (красный, зеленый и синий), то нет необходимости использовать три светодиода по отдельности — достаточно будет разместить на светоизлучающем чипе один элемент для получения всех трех цветов. Также благодаря тому, что синтез керамики осуществлен под высоким давлением, наночастицы расположены друг к другу очень плотно — это позволило избавиться от дефектов, добиться оптической прозрачности и повысить прочность. Такие характеристики будут полезны для производства дисплеев смартфонов и планшетов, поскольку повышенная концентрация углеродных наноточек позволит увеличить эффективность свечения, что может способствовать росту плотности пикселей в дисплее на единицу площади», — объяснила соавтор работы, доцент кафедры физических методов и приборов контроля качества УрФУ Юлия Кузнецова.

Пиксели — мельчайшие элементы цветопередачи на экране дисплея. Их совокупное свечение позволяет выводить изображение на экран, а цветовая гамма образуется при помощи сочетания красного, зеленого и синего цветов.

«Для получения хорошего изображения особую важность имеет количество пикселей и эффективность их свечения. Дисплеи, на которых сосредоточено много пикселей, имеют более четкую картинку, но при этом страдает яркость. Напротив, экраны с меньшим количеством пикселей имеют плохое качество картинки, но при этом хорошую яркость. Созданная нами керамика отличается от традиционных люминофоров типом центров свечения. Это позволяет увеличить количество пикселей на экране, сохранив при этом уровень яркости», — отметила Юлия Кузнецова.

Материалом для создания нанокерамики послужила алюмо-магниевая шпинель, имеющая кубическую структуру кристаллической решетки. Благодаря этому свет, проходящий сквозь материал, не преломляется и не рассеивается. Синтез керамики провели методом термобарического сжатия — с помощью процесса, при котором материал подвергается колоссальному давлению при относительно низкой температуре.

«Термобарическое сжатие — это процесс подведения высокого давления, порядка нескольких гигапаскалей — такое давление реализуется в земной коре на глубине 50–60 километров. Высокое давление позволяет нам снизить температуру синтеза до значений 500–600 °С — это в два раза ниже, чем у аналогичных методов для синтеза нанокерамики, таких как одноосное горячее прессование, либо искроплазменное спекание. Данное сочетание давления и температуры позволяет избавиться от различных макродефектов, таких как трещины, поры, крупные кристаллиты, поскольку наночастицы в процессе синтеза претерпевают своего рода пластическую деформацию за счет того, что начинают смещаться относительно друг друга, проворачиваться и заполнять все возможные пустоты», — уточнил Арсений Киряков.

В работе принимали участие сотрудники Университета Савита (Индия), Факультета физики инженерного колледжа Тиаграджар (Индия) и Института химии твердого тела УрО РАН.

Результаты исследования, выполненного при поддержке Российского научного фонда и программы «Приоритет-2030», опубликовали в журнале Applied materials today.