Разработка новых материалов на основе фторидоборатов с "антицеолитной" структурой для оптоэлектронных устройств видимого и УФ-диапазонов.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-19-00097

НазваниеРазработка новых материалов на основе фторидоборатов с "антицеолитной" структурой для оптоэлектронных устройств видимого и УФ-диапазонов.

Руководитель Беккер Татьяна Борисовна, Доктор геолого-минералогических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" , Новосибирская обл

Конкурс №55 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-203 - Фазовые равновесия и превращения

Ключевые слова фторидобораты, «антицеолитная» структура, кристаллизация из высокотемпературных растворов, нелинейные кристаллы, люминофоры, спектроскопия, квантово-химические расчеты, управление свойствами, ультрафиолетовый диапазон

Код ГРНТИ29.19.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект посвящен исключительно перспективному в научном и практическом плане классу соединений – боратам. Все возрастающая потребность использования в передовых технологических процессах коротковолнового когерентного излучения требует направленного поиска материалов для приборов и оптических систем ультрафиолетового (УФ) диапазона спектра. Источники когерентного УФ излучения востребованы в планарных технологиях, фотонике, в атмосферных и аэрокосмических исследованиях, прецизионной микрообработке материалов. Энергия фотонов в УФ области спектра является достаточной для начала процесса разрушения связей во многих соединениях, что открывает возможность использования такого излучения в фотохимии, биологии, медицине. В настоящее время бораты являются не имеющими альтернативы кристаллическими средами для нелинейно-оптического преобразования лазерного излучения в область ближнего и вакуумного ультрафиолета, являются основными компонентами поляризационной оптики УФ диапазона. Связано это с удачным сочетанием свойств, а именно, широким диапазоном прозрачности, высоким порогом интенсивности разрушающего излучения, двулучепреломлением, приемлемыми значениями нелинейно-оптических коэффициентов. Примерами важнейших промышленно используемых кристаллов боратов являются бораты бария (β-BaB2O4) и лития (LiB3O5), после открытия которых поиск новых функциональных боратов непрерывно продолжается. Относительно новым активно развивающимся направлением является использование кристаллов боратов в качестве матриц для создания светодиодов белого цвета. Люминофоры на кристаллах боратов характеризуются высоким индексом цветопередачи, хорошей воспроизводимостью цвета, низкой коррелированной цветовой температурой. Настоящий проект направлен на выявление фундаментальных кристаллохимических и физико-химических закономерностей образования кристаллов фторидоборатов с «антицеолитной» структурой как основы для создания функциональных нелинейно-оптических и оптических материалов, люминофоров видимого и УФ-диапазонов. Научная новизна проекта заключается как в сочетании комплексных теоретико-экспериментальных кристаллохимических и физико-химических исследований боратов c прикладными задачами разработки ростовых методик и созданием новых оптических материалов, так и в выборе самих объектов исследования – фторидоборатов с «антицеолитной» структурой, открытых коллективом проекта при изучении многокомпонентых борсодержащих систем. Новым направлением для отечественной науки будет являться синтез и последующее изучение свойств боратов, полученных в условиях высоких давлений и температур. Основой структуры фторидоборатов с «антицеолитной» структурой являются положительно заряженные пористые каркасы. Обнаруженная способность каркаса структуры [Ba12(BO3)6]6+ вмещать различные анионные группы [(Li, Na)F4]3–, [MnF6]4– [Cu2+F6]4–, [Cu+F4]3– и др., делает соответствующий класс боратов уникальным с точки зрения дизайна функциональных материалов. Установлено, что: 1) симметрия анионной группы определяет отсутствие или наличие центра симметрии, что существенно для нелинейно-оптических применений; 2) степень заполнения каркаса анионными группами влияет на оптические свойства кристаллов, такие как, поглощение излучения в видимом и УФ-диапазоне (так, цвет кристаллов Ba12(BO3)6[BO3][LiF4] в зависимости от степени заполнения каркаса анионными группами может изменяться от бесцветного до темно-коричневого), положение края поглощения, дихроизм, люминесценция, температура плавления и др. Степень упаковки каркаса анионными группами определяет дефектность кристалла (присутствие электронных и дырочных центров) и является ключом для направленного изменения свойств путем изменения размера, заряда и атомной симметрии анионных групп. Для применения в качестве нелинейно-оптических материалов необходимы оптически совершенные кристаллы, в то время как для применения в качестве люминофоров более предпочтительны дефектные структуры с возможностью электронных переходов за счет электронно-дырочной рекомбинации. Обладая рентгеночувствительностью, перестраивыми дихроичными, гиротропными свойствами, фторидобораты с «антицеолитной» структурой обладают значительным потенциалом для создания эффективных люминофоров УФ и видимого излучения благодаря наличию вакансионных узлов, способных захватывать электроны и дырки. Отличительной особенностью проекта является его комплексный теоретико-экспериментальный характер. Коллектив проекта сочетает специалистов в области синтеза кристаллов, в том числе в условиях высоких давлений, специалистов по кристаллохимии, спектроскопии, кристаллооптике, и специалистов по квантово-химическим расчетам.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Сагатов Н.Е., Беккер Т.Б., Подбородников И.В., Литасов К.Д. First-Principles investigation of Pressure-Induced structural transformations of barium borates in the BaO-B2O3-BaF2 system in the range of 0–10 GPa Computational Materials Science, 199, 110735 (год публикации - 2021)
10.1016/j.commatsci.2021.110735

2. Ращенко С.В., Беккер Т.Б. КРИСТАЛЛОХИМИЯ НОВЫХ «АНТИЦЕОЛИТНЫХ» СТРУКТУР Журнал структурной химии, том 62, №12, С. 2056-2066 (год публикации - 2021)
10.26902/JSC_id84794

3. Беккер Т.Б., Ращенко С.В. ОСОБЕННОСТИ КРИСТАЛЛОХИМИИ ФТОРИДОБОРАТОВ С АНТИЦЕОЛИТНОЙ СТРУКТУРОЙ Тезисы X Национальной кристаллохимической конференции, Приэльбрусье, 5-9 июля 2021 г., С. 33-34 (год публикации - 2021)

4. Беккер Т.Б., Сагатов Н.Е., Подбородников И.В., Литасов К.Д ФАЗОВЫЕ СООТНОШЕНИЯ В БОРСОДЕРЖАЩИХ СИСТЕМАХ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ Тезисы ХХ Всероссийской школы-конференции "Проблемы физики твердого тела и высоких давлений", С.56-57 (год публикации - 2021)

5. Беккер Т.Б., Рядун А.А., Давыдов А.В., Солнцев В.П., Григорьева В.Д. Luminescence properties of rare-earth-doped fluoride borate crystals Journal of Alloys and Compounds, ELSEVIER, 900 (2022) 163343 (год публикации - 2022)
10.1016/j.jallcom.2021.163343

6. Беккер Т.Б., Подбородников И.В., Сагатов Н.Е., Шацкий А.Ф., Ращенко С.В., Сагатова Д.Н., Давыдов А.В., Литасов К.Д. γ‑BaB2O4: High-Pressure High-Temperature Polymorph of Barium Borate with Edge-Sharing BO4 Tetrahedra Inorganic Chemistry, ACS, 2022, 61, 2340-2350 (год публикации - 2022)
10.1021/acs.inorgchem.1c03760

7. Беккер Т.Б., Сагатов Н.Е., Подбородников И.В., Шацкий А.Ф., Ращенко С.В., Горяйнов С.В., Давыдов А.В., Литасов К.Д. High-Pressure Synthesis, Electronic Properties, and Raman Spectroscopy of Barium Tetraborate BaB4O7 Polymorphs Crystal Growth & Design, ACS, 2022, 22, 3405-3412 (год публикации - 2022)
10.1021/acs.cgd.2c00211

8. Сагатов Н.Е., Гаврюшкин П.Н., Беккер Т.Б., Литасов К.Д. Ba3(BO3)2: the first example of dynamic disorder in a borate crystal Physical Chemistry Chemical Physics, Royal Society of Chemistry, 24, 16437-16441 (год публикации - 2022)
10.1039/d2cp01846b

9. Беккер Т.Б., Давыдов А.В., Сагатов Н.Е. Comparative characteristics of various solvents of the Na, Ba, B//O, F system for the growth of β-BaB2O4 crystals and PT-diagram of BaB2O4 polymorphs Journal of Crystal Growth, ELSEVIER, 599 126895 (год публикации - 2022)
10.1016/j.jcrysgro.2022.126895

10. Давыдов А.В., Виноградова Ю.Г., Сагатов Н., Беккер Т.Б. Ba4B11O20F: Рост кристаллов и их устойчивость в условиях высоких давлений. Журнал структурной химии, Том 64, №5, С. 1–10 (год публикации - 2023)
10.26902/JSC_id111169

11. Беккер Т.Б., Рядун А.А., Давыдов А.В., Ращенко С.В. LiBa12(BO3)7F4 (LBBF) crystals doped with Eu3+, Tb3+, Ce3+: structure and luminescence properties Dalton Transactions, 52, P. 8402–8413 (год публикации - 2023)
10.1039/D3DT01279D

12. Беккер Т.Б., Рядун А.А., Ращенко С.В., Давыдов А.В., Байкалова Е.Б., Солнцев В.П. A photoluminescence study of Eu3+, Tb3+, Ce3+ emission in doped crystals of strontium-barium fluoride borate solid solution Ba4−xSr3+x(BO3)4−yF2+3y (BSBF) Materials (Special Issue), 16(15), 5344 (год публикации - 2023)
10.3390/ma16155344

13. Инербаев Т.М., Хан Ю., Беккер Т.Б., Килин Д.С. Photoluminescence in cerium-doped fluoride borate crystals Journal of Physical Chemistry C, 127, 9213–9224 (год публикации - 2023)
10.1021/acs.jpcc.2c08711

14. Ращенко С.В., Давыдов А.В., Сагатов Н., Подбородников И.В., Архипов С.Г., Романенко А.В., Беккер Т.Б. Symmetry control of cation substitution in ‘antizeolite’borates Materials Research Bulletin, 167, 112398 (год публикации - 2023)
10.1016/j.materresbull.2023.112398

15. Сагатов Н.Е., Беккер Т.Б., Виноградова Ю.Г., Давыдов А.В., Подбородников И.В., Литасов К.Д. Experimental and ab initio study of Ba2Na3(B3O6)2F stability in the pressure range of 0–10 GPa International Journal of Minerals , Metallurgy and Materials, V. 30, № 9, P. 1846–1854 (год публикации - 2023)
10.1007/s12613-023-2647-0

16. Беккер Т.Б., Рядун А.А., Инербаев Т.М., Хан Ю., Килин Д.С. Experimental and Numerical Investigation of Photoluminescence in Rareearth Doped LiBa12(BO3)7F4 (LBBF) crystals Тезисы 20 Международной конференции по росту кристаллов и эпитаксии, 30 июля – 4 августа, 2023 года, Неаполь, Италия, тезисы конференции (год публикации - 2023)

17. Беккер Т. Б., Сагатов Н., Донских К. Г., Похмелкин Н.С. Выращивание нелинейно-оптических кристаллов бората бария BaB2O4 и его высокобарические модификации Тезисы 23 Всероссийской школы-семинара по проблемам физики конденсированного состояния СПФСК-23, 23-30 ноября, Екатеринбург, Тезисы конференции (год публикации - 2023)

Публикации