Разработка ученых Института химии твердого тела УрО РАН вошла в десятку важнейших научных достижений Отделения химии и наук о материалах РАН за 2024 год. Речь идет о создании новых ярких люминофоров на основе оксида иттрия, способных преобразовывать инфракрасное излучение в яркое видимое свечение и служить основой для высокоточных бесконтактных датчиков температуры.

Разработка выполнена коллективом сотрудников в составе доктора химических наук В.Н. Красильникова, кандидатов химических наук И.В. Баклановой, Я.В. Баклановой, А.П. Тютюнника. Ученые сосредоточили внимание на материалах, обладающих апконверсионной люминесценцией — способностью поглощать низкоэнергетическое инфракрасное излучение и переизлучать его в видимом диапазоне. Это не только фундаментально интересный эффект, но и удобный механизм для точного измерения температуры. Любые изменения внешних условий отражаются на спектре свечения материала, а значит, могут служить чувствительным индикатором тепловых процессов.

Одним из ключевых результатов работы стало получение яркой красной люминесценции в люминофорах на основе оксида иттрия, допированного ионами эрбия и иттербия. Этот спектральный диапазон важен для лазерной техники, биомедицинской визуализации и систем защиты информации, но добиться устойчивой интенсивности свечения в оксидных материалах было непросто. Успех обеспечила оригинальная прекурсорная технология синтеза, разработанная коллективом ИХТТ. Эта технология позволяет «встраивать» активные ионы в структуру исходного химического соединения еще до температурной обработки, что обеспечивает равномерное распределение компонентов и как следствие устойчивость люминесцентных свойств.

«Важное преимущество прекурсорного способа синтеза заключается в возможности дозированного замещения элемента матрицы иттрия на лантаноиды в структуре индивидуального химического соединения. Все компоненты оксидного люминофора изначально входят в состав органического прекурсора и имеют однородное распределение. Метод прост в исполнении, обеспечивает получение стабильных и воспроизводимых люминофоров и подходит для масштабного производства», — подчеркивает Инна Викторовна Бакланова.

Особый акцент коллектив исследователей делает на применении разработанных материалов в бесконтактной термометрии. Это направление стремительно развивается: электронные устройства становятся все компактнее и мощнее, тепловые нагрузки растут, а традиционные методы контроля температуры не всегда обеспечивают нужную точность или скорость реакции. 

«Оптические температурные датчики обладают очевидными преимуществами по сравнению с традиционными термометрами: безопасностью, быстрым откликом, высокой точностью, помехоустойчивостью и возможностью дистанционного управления. Значение отношения интегральных интенсивностей линий люминесценции не зависит от внешних факторов, что позволяет точно определять температуру», — отмечает Инна Викторовна.

Люминофоры демонстрируют высокую чувствительность в диапазоне от 25 до 225 °C. В этом интервале изменяется соотношение интенсивностей линий люминесценции, соответствующих переходам между термически возбужденными уровнями ионов лантаноидов. Такой механизм согласуется с распределением Больцмана (вероятностной мерой) и обеспечивает надежный температурный отклик. 

«Рассчитанные значения относительной температурной чувствительности превышают один процент на кельвин — это критерий пригодности материалов для бесконтактной термометрии. Люминофоры меняют цвет свечения при температурах выше 150 °C, что позволяет использовать их для мониторинга рабочих температур плат, микросхем и других электронных элементов», — поясняет Инна Викторовна.

Для современной электроники эти значения критичны. Перегрев выше 150 °C приводит к деформации алюминиевых контактов, ускоренному окислению меди и нарушению характеристик кремниевых полупроводников, что может привести к повреждению устройств, сокращению срока службы и выходу из строя оборудования. Поэтому данные люминофоры могут стать основой компактных и эффективных датчиков температуры, встроенных непосредственно в микросхемы, оптоволоконные системы или элементы силовой электроники.

Значимость работы коллектива подтверждена не только включением в список важнейших достижений УрО РАН 2024 года, но и научными публикациями. Новый материал и методика его получения подробно описаны в статьях, опубликованных в международных журналах “Optical Materials”, “Inorganic Chemistry Communications”, “Journal of Applied Spectroscopy”, “Journal of Luminescence”, “Ceramics International”.

Коллектив совершенствует прекурсорный метод синтеза и поиск новых матриц для люминофоров.

Вадим МЕЛЬНИКОВ 
На фото, слева направо:
кандидат химических наук И.В. Бакланова, доктор химических наук В.Н. Красильников, кандидат химических наук Я.В. Бакланова