Новости

26 августа, 2021 11:43

Светодиоды будут сиять ярче

Источник: Коммерсант
Российские и китайские ученые улучшили состав керамических материалов для преобразования цвета, которые используются в сверхъярких белых светодиодах. Физики добавили в них «светящиеся» ионы церия и показали, что небольшого количества достаточно, чтобы обогнать по показателям популярные сегодня аналоги. Предложенная технология позволит создавать энергоэффективные и сверхъяркие светодиодные системы для фар, кинопроекторов и лазерных телевизоров, а также для освещения крупных объектов, например аэропортов. Исследование поддержано грантом Президентской программы Российского научного фонда.
Внешний вид и микроструктура композитных керамик-люминофоров при разном содержании ионов церия. Источник: Kosyanov et al. / Journal of Alloys and Compounds, 2021

Белые светодиоды считаются перспективными источниками освещения будущего поколения, поскольку они энергоэффективны, компактны, а также имеют длительный срок службы и наносят минимальный вред окружающей среде в процессе эксплуатации. Вместе с тем «идеальные» светодиодные устройства должны сочетать в себе сверхъяркое свечение, иметь регулируемую цветовую температуру натуральных оттенков, высокую цветопередачу и контрастность. Не менее важно для них иметь и хорошие тепловые свойства: высокую жаропрочность, теплопроводность и характеристики термического тушения, которые определяют, насколько снижается интенсивность света при нагреве устройства во время работы.

В качестве преобразователей цвета, так называемых люминофоров, для подобных «идеальных» светодиодов ученые предложили новый керамический материал на основе оксида алюминия и иттрий-алюминиевого граната, который содержит небольшое количество ионов трехвалентного церия. Такие керамики-люминофоры позволяют устройствам генерировать белый свет высокой яркости без видимого термического тушения. При этом многочисленные исследования показали, что главные качества светодиодов — светопередача и цветовая температура — больше всего зависят от концентрации люминесцирующих, то есть излучающих свет при подаче энергии, ионов церия (Ce3+) в материале. Но до сих пор оставалось неизвестным, какое их количество обеспечивает наилучшие световые характеристики.

Исследовательская группа из Дальневосточного федерального университета (Владивосток), Института автоматики и процессов управления ДВО РАН (Владивосток), Института химии ДВО РАН (Владивосток), Института химии твердого тела и механохимии СО РАН (Новосибирск) с коллегами из Шанхайского института керамики Китайской академии наук (Шанхай) и Университета Китайской академии наук (Пекин) изготовила серию керамик-люминофоров. Их основой стали оксид алюминия и иттрий-алюминиевый гранат, в который добавили разное количество ионов церия.

Все полученные люминофоры показали исключительные тепловые характеристики: при нагреве до 150 °C интенсивность их свечения снизилась меньше чем на 5%. В материалах, использующихся в большинстве коммерческих белых светодиодов, данный показатель падает на 20% и более. При этом оказалось, что чем больше в керамике было ионов церия, тем меньше в ней сохранялось эффективных центров люминесценции, которые и дают свет. Это можно объяснить тем, что между близко расположенными ионами церия происходит перенос энергии без последующего излучения — другими словами, они «тушат» друг друга. Оказалось, что максимальную «светимость» белые светодиоды имеют при концентрации церия всего 0,05–0,1 атомных процента. Вероятно, эти значения обеспечивают наилучший баланс между скоростями поглощения и излучения энергии материалом.

«Наша разработка позволяет исключить многие ограничения традиционных порошковых преобразователей цвета: это и высокие показатели термического тушения, и недостаточная яркость и контрастность света. Предложенные нами материалы необходимы для создания более совершенных портативных проекторов, эндоскопов и дисплеев, кинопроекторов и лазерных телевизоров с диагональю более 100 дюймов, а также осветительных приборов для авто- и авиастроения»,— рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Денис Косьянов, кандидат технических наук, директор НОЦ «Передовые керамические материалы» департамента промышленной безопасности Политехнического института ДВФУ.

Авторы планируют исследовать влияние так называемых красных ионов — гадолиния и празеодима — на свойства керамик. Эти ионы позволят изменить длину волны излучаемого света, что еще более повысит светопередачу и контрастность светодиодов.

По материалам статьи «Al2O3—Ce: YAG Composite Ceramics for High Brightness Lighting: Cerium Doping Effect»; D. Yu. Kosyanov, Xin Liu, A. A. Vornovskikh, A. P. Zavjalova, A. M. Zakharenko, A. A. Kosianova, A. N. Fedorets, O. O. Shichalina, A. A. Leonov, Wanyuan Li, Jiang Li; журнал Journal of Alloys and Compounds, август 2021 г.


21 октября, 2021
В Тульской области нашли водоросль с высоким содержанием жирных кислот
Ученые обнаружили на территории России штамм зеленой одноклеточной водоросли Coelastrella multistria...
21 октября, 2021
«Обрезание» гена сделало самцов дрозофил бесплодными
Биологи выяснили, что три четверти самцов мух-дрозофил с укороченным геном orb2 становятся бесплод...