Moderni stikli un stikla keramikas temperatūras izturīgajiem luminoforiem ar dažādām retzemju elementu un 3d metalu jonu aktivētiem granātu kombinācijām lieljaudas gaismas emitējošajām diodēm (2020-2023)

Projekta vadītāja Monika Skruodiene

Vienošanās Nr. 1.1.1.2/16/I/001

Pētniecības pieteikuma Nr. 1.1.1.2/VIAA/3/19/480

Šobrīd pasaulē ir liels pieprasījums pēc jauniem neorganiskiem luminiscējošiem materiāliemar plašām pielitojuma iespējām, piemēram, apgaismojumā vai attēlu displejos. Stikla keramikai,  kas apvieno stikla un kristālu īpašības, ir vairākas priekšrocības salīdzinājumā ar tradicionālajiem luminiscējošiem materiāliem, piemēram, optiskā caurspīdība, ķīmiskā un mehāniskā stabilitāte, augsta luminiscences efektivitāte un citas. Šādu materiālu sintēze ir saistīta ar vairākām tehnoloģiskām problēmām, un dažas no tām vēl ir jāatrisina.

Šī pētījuma mērķis ir uzlabot mūsdienu LED aktīvo materiālu efektivitāti, izmantojot divas alternatīvas:

(1) sintezējot jaunu Z3X1.5Q3.5O12:M granāta kristālu struktūras savienojumu monodispersus nanoizmēra pulverus, kur Z = Mg, Ca, Sr; X = V, Ta; Q = Al, Cr; M = lantanīds vai pārejas metāls) ar videi draudzīgu sol-gēla tehniku.

(2) izstrādājot iegūšanas tehnoloģiju jaunu granātu iestrādāšanai borāta-silikāta glāzēs un stikla keramikā.

Tiks panākta kvantu efektivitātes, termiskās un radiācijas stabilitātes uzlabošana jaunos stiklos un stikla keramikā, izmantojot dažādas granātu kombinācijas, kas leģētas ar retzemju un pārejas metālu joniem.

Projekts tiek īstenots Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūtā 36 mēnešus no 01.06.2020. līdz 31.05.2023. Projekta kopējās izmaksas ir 133'805,88 EUR.


Projekta progress

04.06.2021.

Sintezēto paraugu detalizētāka strukturālā analīze tika veikta, izmantojot Rietvelda analīzi. Rietvelda analīzes rezultāti apstiprināja sekundārās fāzes veidošanos, kā minēts iepriekš leģētos paraugos, kas sintezēti ar sol-gel metodi. Monoklīnā Ta2O5 fāze ar I121 telpas grupu paraugos ar x = 0,01, 0,05, 0,1 veido daļu attiecīgi no 3,5%, 5,6% un 2,2% no kopējā tilpuma.

Palielinoties kalcija un tantala koncentrācijai, palielinās arī šūnu parametrs a, kas apstiprina mūsu sākotnējo novērojumu, pat ja sāk veidoties sekundārā fāze (Tabula: Sol-Gel). Šie rezultāti vēl vairāk apstiprina mūsu sākotnējo novērtējumu par sol-gel metodes ierobežoto pielietojamību šādu savienojumu pagatavošanai.

Tikmēr gadījumā, kad paraugus pagatavoja sol-gel, izmantojot kausēto sāļu ceļu, Rietvelda precizēšanas analīze apstiprināja, ka paraugos sekundārās fāzes neveidojas. Palielinoties kalcija un tantala koncentrācijai, pakāpeniski palielinās arī šūnu parametrs a (Tabula: Kausētie Sāļi), norādot, ka viss pievienotais tantals ir veiksmīgi iekļauts granāta struktūrā. Cik mums zināms, šī ir pirmā reize, kad tas tika novērots. Jāņem vērā, ka režģa parametru vērtības tabulā parāda tendences, nevis absolūtās vērtības. Lai gan ar sol-gel metodi sintezēto savienojumu režģa parametri ir lielāki nekā sintezētajiem ar sol-gel kausēto sāļu metodi, piemaisījumu fāzes dēļ tajos ir iespējama neprecizitātes.

Tabula parāda sintezēto paraugu strukturālās fāzes un šūnu vienības parametrus.

Tabula. Sintezēto paraugu kristalogrāfiskie parametri.

Paraugs

Telpas grupa /Ta2O5

Ta2O5, %

a, Å

Tilpums, Å3

Sol-Gel

 

 

 

 

Y3Al5O12 :1%Eu

Ia3d/-

100/-

12.005

1730

Y2.98Ca0.02Ta0.01Al4.99O12:1%Eu

Ia3d/I121

96.5/3.5

12.010

1732

Y2.90Ca0.10Ta0.05Al4.95O12:1%Eu

Ia3d/I121

94.4/5.6

12.016

1735

Y2.80Ca0.20Ta0.10Al4.90O12:1%Eu

Ia3d/I121

97.8/2.2

12.025

1739

Kausētie sāļi

 

 

 

 

Y3Al5O12:1%Eu

Ia3d/-

100/-

12.005

1730

Y2.98Ca0.02Ta0.01Al4.99O12:1%Eu

Ia3d/-

100/0

12.007

1731

Y2.90Ca0.10Ta0.05Al4.95O12:1%Eu

Ia3d/-

100/0

12.008

1732

Y2.80Ca0.20Ta0.10Al4.90O12:1%Eu

Ia3d/-

100/0

12.018

1736

Tika iesniegta iepriekšējā pārskata periodā sagatavotā publikācija: “Sol-Gel Assisted Molten-Salt Synthesis of Novel Single Phase Y3-2xCa2xTaxAl5-xO12:1%Eu Garnet Structure Phosphors”

Ņemta dalība Zinātnieku nakts virtuālajā izstādē / konferences platformā 2021. gada 30. aprīlī.


25.02.2021.

Visi pētītie luminofori tika sintezēti ar citronskābes sol-gel metodi. Itrija alumīnija granāts tika leģēts dažādās Ca2+, Ta5+ un Eu3+ jonu koncentrācijās.

Paraugi tika analizēti, izmantojot skenējošās elektronu mikroskopijas (SEM) metodi. SEM analīze atklāja sintezēto pulveru virsmas morfoloģiju. Visiem analizētajiem paraugiem ir labi veidota neregulāra sfērai līdzīga morfoloģija. Atlaidināšanas procesā daļēji izkusušās nanoloksnes savstarpēji saistās, izraisot ļoti aglomerētas daļiņas. Ir skaidri redzama poru klātbūtne, kas varētu veidoties izplūstošo gāzu dēļ, sadedzinot organiskos komponentus un atlikušos nitrātus.

Ir skaidrs, ka piemaisījumu pievienošana neietekmē paraugu morfoloģiju. 1. attēlā parādīts YAG: 1% Eu. Paraugiem ar atšķirīgu piedevu jonu saturu, kā parādīts 2. - 4. attēlā, SEM attēlos nav būtiskas atšķirības. Mikro izmēra aglomerāti labi saglabā  neregulāras sfēras formas morfoloģiju neatkarīgi no ķīmiskā sastāva.

Y3Al5O12 mikrogrāfijas: 1%Eu, Y2.98Ca0.02Ta0.01Al4.99O12: 1%Eu, Y2.9Ca0.1Ta0.05Al4.95O12: 1%Eu un Y2.8Ca0.2Ta0.1Al4.9O12: 1%Eu paraugi ir attēloti attiecīgi 1., 2., 3. un 4. attēlā.

Att. 1. SEM attēls Y3Al5O12 :1% Eu

Att. 2. SEM attēls Y2.98Ca0.02Ta0.01Al4.99O12 :1% Eu

Att. 3. SEM attēls Y2.9Ca0.1Ta0.05Al4.95O12 :1% Eu

Att. 4. SEM attēls Y2.8Ca0.2Ta0.1Al4.9O12 :1% Eu

 


10.12.2020.

Visi pētītie paraugi tika sintezēti, izmantojot sol-gel metodi ar citronskābi.  Visi paraugi tika aktivēti ar retzemju elementu joniem (Ce3+ and Eu3+).

Tika noskaidroti sol-gel sintēzes parametri, kas nepieciešami, lai iegūtu vienfāzes materiālus. Sintezētie paraugi tika analizēti, izmantojot rentgena struktūras analīzi (XRD) un spektroskopiskās metodes (ierosmes un luminiscences spektri).

Dažādās temperatūrās/dažādus laikus sintezēto paraugu XRD ainas rāda, ka mazas Ta un Ca koncentrācijas paraugu, kas sintezēti reducējošos apstākļos 1500°C, struktūra atbilst datubāzes JCPDS file 33–40 ierakstam. Tas norāda, ka YAG:Ta,Ca paraugi ir vienfāzes savienojumi ar kubisku granāta struktūru.

Att. 1. XRD ainas Y3-2xCa2xTaxAl5-xO12 :0.5% Ce, ar x = 0.01 – 0.1.

Att. 2. XRD ainas Y3-2xCa2xTaxAl5-xO12 :1% Eu, ar x = 0.01 – 0.1.

Att. 3. Luminiscences spektri Y3-2xCa2xTaxAl5-xO12 :0.5% Ce, ar x = 0.01 – 0.1.

Att. 4. Luminiscences spektri Y3-2xCa2xTaxAl5-xO12 :1% Eu, ar x = 0.01 – 0.1.


09.09.2020.

Visi pētītie paraugi tika sintezēti, izmantojot sol-gel metodi ar citronskābi.

Tika noskaidroti sol-gel sintēzes parametri (izkarsēšanas temperatūra un laiks, piemaisījumu koncentrācijas (Ta, Ca)), kas nepieciešami, lai iegūtu vienfāzes materiālus. Sintezētie paraugi tika analizēti, izmantojot rentgena struktūras analīzi (XRD).

Dažādās temperatūrās/dažādus laikus sintezēto paraugu XRD ainas rāda, ka mazas Ta un Ca koncentrācijas paraugu struktūra atbilst datubāzes JCPDS file 33–40 ierakstam. Tas norāda, ka YAG:Ta,Ca paraugi ir vienfāzes savienojumi ar kubisku granāta struktūru.