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

31.05.2022.

Luminiscences īpašības

Emisijas spektri – tika mērīti pie λEx = 330 un 395 nm ierosmes. Emisijas spektri (2. attēls) parāda maksimumus 589 nm, 593 nm (5D07F1), 608 nm, 614 nm, 618 nm (5D07F2), 697 nm, 703 nm, and 709 nm (5D07F4). Pirmā acīmredzamā norāde ir tāda, ka YVO uzrāda intensīvāku signālu, salīdzinot ar YAG, neatkarīgi no ierosmes viļņa garuma. Otrkārt, ir dažas izmaiņas paraugu emisijas spektros, salīdzinot Eu3+ zem 395 nm ierosmes YAG ar emisiju Eu3+ YVO. Emisijas spektrā parādās divas papildu joslas ar maksimumiem apmēram 589 un 709 nm. Tās ir tipiskas joslas Eu3+ YAG matricā un paliek jebkura kompozītmateriāla emisijas spektros zem 395 nm ierosmes. Vanādija pievienošana YAG struktūrai būtiski ietekmē emisijas intensitāti un rada jaunus dominējošos maksimumu pozīcijās, kas raksturīgas YVO zem 330 nm vai 395 nm ierosmes, un atlikušajos YAG maksimumos zem 395 nm ierosmes. Jāņem vērā, ka, kaut ar mehānisku metodi iegūto kompozītu YVO daļiņu izmērs ir lielāks, ķīmiski iegūto kompozītmateriālu integrētās emisijas vērtības ir nedaudz lielākas.


Att. 2. Paraugu emisijas spektri

Publikācija ir iesniegta žurnālā Materials Letters: “Modifying Optical Properties of Yttrium Aluminum Garnet with the Yttrium Vanadate Impurity Phase”.


02.28.2022.

Skenējošā elektronu mikroskopiskā analīze

SEM analīze tika iegūta, lai analizētu un salīdzinātu sintezēto un mehāniski sajaukto pulveru morfoloģiju un daļiņu izmēru. 1A attēlā ir YAG:Eu. Tam ir labi veidota, neregulāra sfēriskai līdzīga morfoloģija. Poras, kas skaidri redzamas 1.A un 1.C attēlā, var veidoties organisko komponentu un atlikušo nitrātu sadalīšanās laikā izplūstošajām gāzēm. Var novērot, ka lielākā daļa daļiņu atrodas diapazonā no 200 līdz 800 nm. Tikmēr YVO4:Eu piemīt neregulāra, nedaudz leņķiska, sfērai līdzīga morfoloģija ar skaidrām robežām starp katru daļiņu (1.B attēls). Daļiņu izmērs ir daudz lielāks, apmēram 1,7-6 μm. Attēlā 1C un 1D attēloti attiecīgi YAG:Eu_1.0V sintezēti un YAG:Eu_1.0V mehāniski sajaukti paraugi. No attēliem ir skaidri redzamas divas dažāda izmēra un formas daļiņu grupas. Jāņem vērā, ka ķīmiski iegūtā kompozīta 0,5 – 4 μm izmēra YVO4 daļiņas atrodas uz virsmas un šķiet, ka tās ir salipušas un pat iegrimušas granāta daļiņās (1.C att.), savukārt katras granāta komponentes daļiņas. 1.D attēlā ir redzamas atsevišķi.

A
B
C
D

Att. 1. SEM attēli paraugiem YAG:1%Eu (A), YVO4:1%Eu (B), Y3V1Al4O12: 1% Eu synthesized (C) and Y3V1Al4O12: 1% Eu mehāniski samaisīts (D).


30.11.2021.

Sintezētos paraugus raksturoja ar rentgena difrakcijas metodi, lai novērtētu to fāzes sastāvu un tīrību. Galvenie refleksi tika attiecināti uz granāta fāzi (COD ID # 1529037). Tas nozīmē, ka visiem koaktivētiem Y3VxAl5-xO12 paraugiem (x = 0,1 – 0,4) ir galvenā fāze ar kubisko kristālu struktūru, kas atbilst Ia3d (#230) telpas grupai. Jāpiemin, ka šiem savienojumiem tika novēroti nelieli papildu maksimumi ap 2θ = 25°, kas liecina par piemaisījumu fāzes veidošanos. Šī fāze atbilst YVO4 (COD ID # 9011137). Palielinoties x vērtībai, šīs fāzes sastāvs kļūst izteiktāks.

Att. 1. Rentgena difrakcijas ainas Y3VxAl5-xO12: 1% Eu, kur x = 0.1 – 3.0. Paraugi sintezēti, izmantojot sol-gel un kausēto sāļu metodi, izkarsējot gaisā 1300 °C KCl sāļos.

Publikācija tika pieņemta un publicēta žurnālā Journal of Alloys and Compounds: “Sol-Gel Assisted Molten-Salt Synthesis of Novel Single Phase Y3-2xCa2xTaxAl5-xO12:1%Eu Garnet Structure Phosphors”.

Dalība konferencē “Chemistry and Chemical Technology 2021 Vilnius” 2021. gada 24. septembrī. Plakāta prezentācija.


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.