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 22-73-00106

НазваниеЛазерный синтез Eu-содержащих нанопорошков на основе моноклинной фазы Y2O3 c улучшенными люминесцентными характеристиками

РуководительКостюков Антон Иванович, Кандидат физико-математических наук

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

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2024 

Конкурс№70 - Конкурс 2022 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов

Ключевые словаЛюминесценция, люминофор, нанопорошки, оксид иттрия, европий, моноклинная фаза, лазерное испарение, квантовый выход, чистота цвета

Код ГРНТИ31.15.19

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время создание новых функциональных наноматериалов с контролируемыми характеристиками является актуальной задачей в рамках приоритетного направления развития науки, технологий и техники Российской Федерации «Индустрия наносистем» и критической технологии «Технологии получения и обработки функциональных наноматериалов». Настоящий Проект направлен на разработку Eu-содержащих функциональных люминесцентных наночастиц на основе моноклинной фазы Y2O3 (m-Y2O3:Eu3+) c максимальными показателями характеристик (квантовый выход, цветовые координаты, чистота цвета) люминесценции, которые впоследствии могут быть применены для создания высокоэффективных излучающих систем. В данном Проекте будут проведены исследования на нанопорошках со средним размером частиц около 20 нм. Для получения люминесцентных наночастиц m-Y2O3:Eu3+ планируется использовать метод лазерного испарения с контролируемой конденсацией в газовой фазе. Преимущество лазерных методов заключается в возможности получения химически чистых, слабо агломерированных наночастиц с узким распределением по размеру и морфологией близкой к сферической. Важным достоинством используемого в Проекте метода синтеза является возможность получения метастабильных полиморфных модификации, например моноклинную фазу Y2O3, которую невозможно получить стандартными химическими методами синтеза. В настоящее время микропорошки и нанопорошки люминофоров Y2O3:Eu3+ на основе кубической фазы (с-Y2O3:Eu3+) являются коммерчески доступными и наиболее хорошо изученными. При этом, данные по Y2O3:Eu3+ на основе моноклинной фазы ограничены лишь несколькими работами, включая работы, выполненные ранее совместно с участниками данного Проекта. У люминофора m-Y2O3:Eu3+ спектр излучения в области сверхчувствительного перехода 5D0 → 7F2 расширен по сравнению с с-Y2O3:Eu3+ в красную область спектра, что обеспечивает лучшие цветовые координаты красного цвета с высокой чистотой. Научная новизна планируемых исследований состоит в том, что впервые будут проведены систематические исследования по оптимизации концентрации европия и состава атмосферы при лазерном синтезе на люминесцентные свойства нанопорошков m-Y2O3:Eu3+ с целью получения максимальных соответствующих характеристик. Исследование свойств люминесценции, таких как квантовый выход, спектры излучения и возбуждения, кинетические параметры затухания люминесценции будут проведены в совокупности с контролем химического, фазового состава и морфологии наночастиц. Есть все основания полагать, что в результате успешного выполнения данного Проекта по оптимизации процесса получения наноразмерного люминофора, он может быть рассмотрен как лучшая альтернатива для замены люминофоров с-Y2O3:Eu3+ для конкретных люминесцентных приложений.

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения Проекта будут получены следующие оригинальные результаты: 1. За счет оптимизации состава смеси инертного газа (аргон) и кислорода в лазерном методе синтеза в газовой фазе отработана технология получения высокоэффективных Eu-содержащих люминесцентных нанопорошков на основе моноклинной фазы Y2O3 с определенным размером наночастиц (около 20 нм). 2. Проведены исследования влияния концентрации европия на фотолюминесцентные характеристики нанопорошков m-Y2O3:Eu3+ (квантовый выход, спектры излучения и возбуждения, кинетика затухания люминесценции) с определенным размером наночастиц (около 20 нм). 3. На основании результатов по оптимизации из пунктов 1 и 2 будет получен наноразмерный люминофор с максимальными люминесцентными характеристиками. Проведено сравнительное исследование с коммерчески доступным люминофором Y1.92Eu0.08O3 (Sigma-Aldrich) на основе кубической фазы Y2O3. Результаты, представленные в пунктах 1-3 будут получены впервые. Достигнутые результаты будут полностью соответствовать мировому уровню. По результатам Проекта планируется публикация не менее 2-х статей (первого и второго квартилей) в рейтинговых журналах, индексируемыми базами данных Scopus и Web of Science. Полученные в Проекте закономерности по влиянию концентрации европия и состава смеси газа при лазерном испарении на люминесцентные характеристики ориентированы на создание высокоэффективного отечественного наноразмерного люминофора. На основании этого будут предложены люминесцентные наночастицы с оптимальными свойствами для конкретных люминесцентных применений.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Растущая потребность в наноразмерных люминофорах для различных приложений обуславливает усиливающуюся необходимость разработки и совершенствования подходов к созданию высокоэффективных нанолюминофоров. В данной работе был разработан подход к улучшению эффективности красной люминесценции моноклинного Y2O3:Eu3+. Проведено исследование влияния добавления кислорода в диапазоне от 0 до 40 об.%. во время лазерного синтеза на фотолюминесцентные характеристики наноразмерного m-Y2O3:Eu3+. Было показано, что приготовленные нанопорошки представлены моноклинной фазой и имеют размер частиц около 20 нм. При этом структурные свойства нанопорошков практически не зависят от добавки кислорода. В то же время, люминесцентные свойства, напротив, меняется существенным образом при добавлении кислорода. Так, добавление 30 об.% O2 приводит к практически двадцатикратному росту интенсивности люминофора и увеличению его квантового выхода ФЛ с 3 % до 53 % при возбуждении 395 нм. Последующий отжиг в атмосфере воздуха при температуре 750 °C в течение 2 часов позволил и вовсе достичь квантового выхода 69 % при сохранении размера частиц практически неизменным. Таким образом, было показано, что добавление кислорода является эффективной стратегией улучшения эффективности красной люминесценции Y2O3:Eu3+. Такой значительный положительный эффект обусловлен, прежде всего, удалением значительной доли кислородных вакансий в структуре Y2O3, являющихся эффективными тушителями люминесценции Eu3+. Ожидается, что разработанная стратегия окажется полезной не только для Y2O3:Eu3+ и газофазных методов синтеза, но также будет эффективна для многих других методов синтеза, предполагающих нагрев образца в тех или иных условиях, и использующихся для получения оксидных люминофоров, содержащих лантаноиды.

 

Публикации

1. Костюков А.И., Панченко В.Н., Нашивочников А.А., Рахманова М.И., Черепанова С.В., Супрун Е.А., Антонова О. High quantum yield of red-emitting Eu3+ doped nanophosphor based on monoclinic Y2O3 Ceramics International, - (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.01.078

2. Костюков A. И., Нашивочников А. А., Снытников В. Н., Рахманова М. И. Улучшение люминесцентных характеристик Eu-содержащих оксидных нанолюминофоров, полученных методом лазерного испарения Программа и тезисы докладов VI Школы-конференции молодых учёных «Неорганические соединения и функциональные материалы» ICFM-2022 Сборник, ИНХ СО РАН. 2022. 156 c. ISBN 9785901688502., Программа и тезисы докладов VI Школы-конференции молодых учёных «Неорганические соединения и функциональные материалы» ICFM-2022 / Ответственные за выпуск Е. С. Викулова, Э.А. Рихтер. Новосибирск: ИНХ СО РАН, 2022, 71 с. (год публикации - 2022)

3. Нашивочников А. А., Костюков А. И. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КИСЛОРОДА ПРИ ЛАЗЕРНОМ СИНТЕЗЕ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОГО НАНОЛЮМИНОФОРА НА ОСНОВЕ МОНОКЛИННОГО Y2O3:Eu3+ IX Международная конференция «Лазерные, плазменные исследования и технологии» ЛаПлаз-2023: Сборник научных трудов. М.: НИЯУ МИФИ, IX Международная конференция «Лазерные, плазменные исследования и технологии» ЛаПлаз-2023: Сборник научных трудов. М.: НИЯУ МИФИ, 2023. – 440 с. (год публикации - 2023)

4. Нашивочников А.А., Костюков А.И. ОПТИМИЗАЦИЯ СВОЙСТВ И УСЛОВИЙ ЛАЗЕРНОГО СИНТЕЗА НАНОЛЮМИНОФОРА НА ОСНОВЕ МОНОКЛИННОГО ОКСИДА ИТТРИЯ, ЛЕГИРОВАННОГО ЕВРОПИЕМ Изд-во Томского политехнического университета, сборник научных трудов Международной научно-технической молодежной кон-ференции / под ред. С.П. Буяковой ; Томский политехнический университет. – Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2022. 232-235 с. (год публикации - 2022)

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Люминесцентные материалы являются ключевыми материалами в современной жизни, на которых основываются множество современных технологий. Постоянно ведутся исследования, направленные на создание новых и усовершенствование уже имеющихся люминофоров, а также поиск новых направлений их использования. В Проекте решена актуальная проблема по разработке высокоэффективного красного наноразмерного люминофора m-Y2O3:Eu3+ для многочисленных приложений. Для достижения цели методом лазерного испарения в газовой фазе синтезирована серия нанопорошков m-Y2O3:Eu3+ с концентрацией европия в диапазоне от 0 до 20 масс.%. Было показано, что ионы Eu3+ встраиваются в решётку m-Y2O3 во всём исследуемом диапазоне концентраций. Средний размер частиц для образца с концентрацией европия 0.5 масс.% составляет 24.7 ± 7.3 нм, а для образца с максимальной концентрацией – 14 ± 4 нм. EDX картирование элементного состава показало, что ионы Eu3+ равномерно распределены в матрице моноклинного Y2O3 даже при максимальных концентрациях европия. Определена оптимальная концентрация европия в образцах для получения максимального значения квантового выхода люминесценции. Так, максимальное значение квантового выхода в 56 ± 8.4% наблюдается для образца с концентрацией европия 10 масс.%. Проведённый дополнительный отжиг для образца с оптимальной концентрацией европия при температуре 750 °C в течение 2 часов в атмосфере воздуха позволил добиться увеличения квантового выхода до 67 ± 10%. Полученный квантовый выход является одним из самых высоких для оксидных Eu3+-содержащих нанолюминофоров, измеренном при прямом возбуждении (395 нм), и по своим значениям приближается к квантовому выходу для микрокристаллических люминофоров. В совокупности с отличными цветовыми координатами и чистотой красного цвета, нанолюминофор на основе m-Y2O3:Eu3+ является перспективным для многочисленных приложений, таких как сенсорные технологии, биовизуализация, нанотермометрия, pc-LED, защита от поделок и многих других.

 

Публикации

1. Костюков А.И, Шуваракова Е.И.,Нашивочников А.А.,Рахманова М.И., Черепанова С.В., Ищенко А.В., Бедило А. Ф. Effect of SiO2 shell on photoluminescence enhancement of Eu3+ doped nanophosphor based on monoclinic Y2O3 Elsevier BV, Journal of Alloys and Compounds 966 (2023) 171566 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.171566

2. Нашивочников А. А., Костюков А. Рахманова М. И., И., Кибис Л. С., Черепанова С. В., Супрун Е. А. Creation of an oxygen-enriched environment during synthesis as an effective way to improve luminescent properties of Y2O3:Eu3+ Journal of Rare Earths, Journal of Rare Earths. 2024. DOI: 10.1016/j.jre.2023.12.008 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.jre.2023.12.008

3. Костюков А.И., Нашивочников А. А., Шуваракова Е. И., Рахманова М. И. ВЛИЯНИЕ ОБОЛОЧКИ SiO2 НА УСИЛЕНИЕ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ НАНОЛЮМИНОФОРА НА ОСНОВЕ МОНОКЛИННОГО Y2O3:Eu3+ МГУ имени М.В. Ломоносова Москва, 2024, Сборник тезисов конференции LUMOS-2024, МГУ имени М.В. Ломоносова Москва, 2024 (год публикации - 2024)

4. Костюков А.И., Нашивочников А.А., Рахманова М.И. ЛАЗЕРНЫЙ СИНТЕЗ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ОКСИДНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ: СВОЙСТВА И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ Термодинамика и материаловедение. Тезисы докладов XV Симпозиума с междуна- родным участием, 3–7 июля 2023 года / под ред. д.х.н. Н.В. Гельфонда, ответственный за выпуск к.х.н. Л.Н. Зеленина – Новосибирск: ИНХ СО РАН, 2023, 338 с., Термодинамика и материаловедение. Тезисы докладов XV Симпозиума с международным участием, 3–7 июля 2023 года Сборник, ИНХ СО РАН. 2023. 338 c. ISBN 978-5-90168-853-3. Год: 2023, Номер статьи : II-У-33, Страницы : 161, Страниц : 1. (год публикации - 2023)

Возможность практического использования результатов
не указано