Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. Предложены и разработаны комбинированные керамические люминофоры 0.2 ат.% Ce:YAG / 0.25 ат.% Cr:YAG / 0.25 ат.% Pr:YAG с т.н. структурой “штрих-кода”. Применен метод безводного шликерного литья и последующего реакционного вакуумного спекания. Сэндвич-структура включала параллельно расположенные керамические слои Ce:YAG, Cr:YAG и Pr:YAG с различным соотношением их толщин. Подобное структурирование ставило целью решение проблемы низкого уровня светоотдачи ввиду переноса энергии в керамике, легированной несколькими ионами, а также реабсорбции и взаимодействия между различными по составу слоями. Линейный коэффициент пропускания керамик варьировался в диапазоне 55-80% при длине волны 800 нм (для толщины образцов 1 мм), и возрастал в ряду соотношений толщин: 6:6:6 → 18:6:6 → 12:6:6 → 6:9:9 → 6:12:12. В спектрах излучения (возбуждение синим светом, λ=445 нм), в дополнение к типичным для Ce:YAG при 500-650 нм, фиксировались пики излучения Pr:YAG при 565, 609 и 638 нм ввиду 3P2→3H6, 3P1→3H6 и 1D2→3H4 переходов Pr3+, соответственно. Дополнительно, пик излучения при 688 нм был отнесен к 2E→4A2 переходу Cr3+, а пики излучения при 706 и 725 нм наблюдались ввиду низкочастотной люминесценции R-линии Cr3+. Ввиду низкой квантовой эффективности функциональных слоев Cr:YAG и Pr:YAG, по мере увеличения их соотношения в композитах наблюдалось постепенное уменьшение LE при возрастании Rf и Rg. Люминофор с соотношением толщин 6:6:6 имел LE 106 лм/Вт, Rf 77, Rg 86, CCT 7642 К. Показано, что цветовые координаты получаемого белого света могут быть целенаправленно скорректированы путем изменения общей толщины YAG:Ce/YAG:Cr/YAG:Pr композита, толщин его функциональных слоев Cr:YAG и Pr:YAG, а также величины входящего тока синего LED. Полученные результаты отражены в статье: J. Am. Ceram. Soc. 107 (2024) 1061–1069. doi:10.1111/jace.19508. 2. В контексте разработки способов микроструктурирования композитных люминофоров, впервые успешно получены керамики 20-70 вес.% Al2O3−0.3 ат.% Ce:LuAG методом вакуумного спекания со-осажденных многофазных порошков соответствующих составов. Согласно РСА, многофазные порошки с ≥30 вес.% Al2O3 содержали примесную перовскитную фазу LuAlO3. Состав всех образцов керамик (20-70 вес.% Al2O3) включал лишь базовые фазы Lu3Al5O12 (PDF # 73-1368) и Al2O3 (PDF # 83-2080). То есть, при спекании многофазных порошков с избытком 47.22-82.97 мол.% Al3+ (30-70 вес.% Al2O3) имеет место фазовый переход LuAlO3 → Lu3Al5O12. Общий коэффициент пропускания композитов толщиной 1 мм варьировался в диапазоне 22.5-27.7% при λ=800 нм. Данные СЭМ подтвердили наличие в образцах гомогенной бифазной микроструктуры. Средние размеры составных фаз корунда / граната в композитах x вес.% Al2O3−Ce:LuAG (x=20, 30, 40, 50, 60, 70) составили ~ 3.0/4.4; 3.0/2.8; 2.8/2.7; 3.1/3.1; 3.0/2.1; и 4.0/1.8 мкм, соответственно. Композиты, содержащие 30-50 вес.% Al2O3, имели сходные размеры зерен составляющих фаз, что объясняется проявлением механизма самоограничения роста, в данном случае, взаимным сопротивлением росту зерен в двухфазной системе. Интенсивность ФЛ для состава 40 вес.% Al2O3−0.3 ат.% Ce:LuAG снижалась лишь на 8.1% при росте температуры от 25 до 225°C, что в 2 раза меньше, чем у монофазного образца 0.3 ат.% Ce:LuAG (~16%). Максимальный LF 3624 лм при плотности входящей мощности LD 20 Вт/мм2 достигнут на образце с 40 вес.% Al2O3. При этом, снижение LE при росте мощности от 1 до 20 Вт/мм2 составило примерно 12% (233 лм/Вт). Значения CRI/Ra возрастали от 43 до 46, а CCT − варьировались в диапазоне 6565-6747 К (близко к CCT искусственного дневного света, 6500 К). Полученные результаты отражены в 2-х статьях: Opt. Mater. 147 (2024) 114697. doi:10.1016/j.optmat.2023.114697 ; Opt. Mater. 147 (2024) 114628. doi:10.1016/j.optmat.2023.114628. 3. Исследовано влияние пост-обработки ГИП на микроструктуру и люминесцентные свойства ИПС композитов Al2O3–Ce:YAG (0.05-0.3 ат.%). ИПС композиты с содержанием 0.05-0.1 ат.% Ce3+ характеризовались узким распределением зерен по размерам, средние значения для составных фаз составили менее 1 мкм. Дальнейший рост уровня легирования Ce3+ привел к 2-кратному росту зерен YAG и 1.5-кратному – зерен Al2O3. Очевидно, уровень легирования сказывается на массопереносе при заключительном этапе спекания. Стадия ГИП способствовала некоторой гомогенизации (рассредоточению) зерен вторичной фазы в матрице граната, при уменьшении их дисперсии по размерам. ГИП обработка обеспечила стабилизацию размеров зерен составных фаз: средние размеры YAG ~4 мкм и Al2O3 ~2 мкм были характерны для всей исследуемой концентрационной серии образцов. Наилучшей комбинацией параметров времени жизни ФЛ τ и квантовой эффективности η обладали композитные керамики с 0.1 и 0.2 ат.% Ce3+. Применение дополнительной стадии ГИП положительно отражалось как на внутренней η(IQE) так и на внешней квантовой эффективности η(EQE) образцов. Для обеих линеек образцов исследованы спектры СИ-люминесценции и кинетики люминесценции на линии Ce:YAG 535 нм. Спектры условно могут быть разделены на два диапазона: линия люминесценции Ce:YAG при >465 нм и спектр сложной структуры при <465 нм (основной вклад от люминесценции самозахваченных экситонов YAG). Для характеризации использовались интегральные величины и различные модели формы пика для Ce:YAG. Максимальной интенсивности линия Ce:YAG достигает при 0.2 ат.% Ce3+, а для диапазона <465 нм наблюдается монотонное падение интенсивности. Влияние ГИП на положение линии Ce:YAG несущественно – наблюдается монотонный рост ~527–534 нм при 0.05–0.3 ат.% Ce3+. В сравнительном анализе моделей линии Ce:YAG перспективной показала себя модель произведения сигмоиды и гауссианы с совпадающим положением этих функций. Этот параметр (положение) можно интерпретировать в качестве стоксового сдвига, который уменьшается в обеих линейках от ~0.13 до ~0.11 эВ при 0.05–0.3 ат.% Ce3+. Для исследования кинетики использовалась модель свёртки гауссовой функции инициирующего импульса и спадающей экспоненты, что позволило выявить две моды затухания. Применение дополнительной стадии ГИП существенно не влияет на параметры кинетики люминесценции. Для быстрой моды наблюдается рост времени затухания ~0.7–3.0 нс и монотонное падение её доли от ~22–35 до ~14% при 0.05–0.3 ат.% Ce3+. Для медленной моды также наблюдается рост времени затухания от ~20–30 до ~47–57 нс при 0.05–0.3 ат.% Ce3+. Сделано предположение, что значительную роль в этих исследованиях играет радиационное воздействие на образец, явно проявляющееся для образцов с более низкой концентрацией как визуальное потемнение. Проведена аттестация светотехнических характеристик перспективных составов люминофоров в зависимости от плотности входящей мощности 454 нм ЛД в режиме отражения. В качестве референтного образца выбран ИПС-композит с 0.1 ат.%, в серии ИПС+ГИП – протестированы составы с 0.1, 0.2, и 0.3 ат.%. Толщина керамик составила ~1 мм. Значения LF (LE) и CCT (CRI) для референтного образца составили 2830 лм (182 лм/Вт) и 14290 К (63) при плотности 14 Вт/мм2. Для ИПС+ГИП−образцов с 0.1-0.3 ат.% значения LF (LE) и CCT (CRI) составили 3300-3260 лм (212-210 лм/Вт) и 7352-5700 К (58-52). Координаты цветности CIE-1931 образцов располагались вблизи Планковского локуса с некоторым смещением в синюю область при увеличении плотности мощности. В контексте применения в высокомощном белом лазерном освещении, наиболее благоприятными характеристиками обладал ИПС+ГИП−люминофор Al2O3–0.1 ат.% Ce:YAG. Полученные результаты представлены в форме устных докладов на 2-х конференциях: А. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=56361975 Б. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=56361949 В. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=59552373 Отражены в статье, принятой в печать в IEEE Xplore Digital Library. 4. Под руководством руководителя Проекта Д.Ю. Косьянова в декабре 2023 г. состоялась успешная защита диссертации ключевого исполнителя А.А. Ворновских “Формирование и структурно-фазовое состояние композитных керамических люминофоров Al2O3−RE3+:YAG (RE=Ce; Ce/Gd)” на соискание искомой степени кандидата физико-математических наук по специальности 2.6.17 – Материаловедение. Работа полностью посвящена результатам данного Проекта. https://www.dvfu.ru/science/dissertation-tips/analytical-platform-of-dissertations/detail.php?ID=163315499&IBLOCK_ID=1156