Химки изучили свойства неорганических соединений, которые могут светиться в инфракрасном диапазоне, — германатов со структурой апатита. Их можно использовать для создания волоконно-оптических систем передачи информации, устройств для дистанционного зондирования атмосферы, а также лазерных радаров с безопасным для глаз излучением. Исследования поддержаны грантом РНФ. Результаты опубликованы в журнале Dalton Transactions.

Многие вещества могут светиться за счет того, что преобразуют энергию, которую они поглощают, в световое излучение. Люминесценция кристаллов неорганических веществ (кристаллофосфоров) сильно зависит от наличия в них незначительных примесей — активаторов, которые определяют как цвет свечения, так и саму способность кристалла светиться. Иногда интенсивность люминесценции можно увеличить, если дополнительно ввести в матрицу ионы-сенсибилизаторы, которые поглощают возбуждающую энергию и передают ее ионам-активаторам.

Излучение в ближнем и среднем инфракрасном (ИК) диапазоне (2 – 5 микрометров) широко применяют в биомедицинских системах, в устройствах дистанционного зондирования атмосферы, а также в волоконно-оптических линиях связи. Чтобы получить люминесценцию в этой области спектра, в качестве активаторов используют ионы редко встречающихся в земной коре элементов: гольмия, эрбия, тулия, диспрозия и другие. Традиционно эти ионы целенаправленно вводят в неорганическую матрицу в процессе синтеза люминофора, но в некоторых случаях требуемое количество ионов-активаторов настолько мало, что достаточно примесного содержания иона в исходных реактивах. Чтобы увеличить чувствительность веществ к внешним воздействиям, используют сенсибилизаторы — ионы неодима или иттербия.

Ученые синтезировали кристаллофосфор, содержащий следовые количества ионов гольмия, исследовали его структуру, электронные и оптические свойства. Наиболее интенсивно новое соединение светилось в диапазоне 2,1 – 2,7 микрометров. Авторы работы установили его оптимальный состав, чтобы энергия лазерного излучения преобразовывалась в излучение ближнего и среднего ИК-диапазона наиболее эффективно. Исследователи отмечают интересную деталь: отношение концентрации активатора гольмия к сенсибилизатору неодиму оказалось на несколько порядков меньше традиционно используемых значений. По сравнению с германатами с разными кристаллическим строением, германаты со структурой апатита люминесцируют наиболее эффективно.

«Схема межуровневых переходов, возбуждения и излучения для ионов неодима и гольмия была предложена на основе спектров диффузного отражения, кривых затухания люминесценции, а также по результатам исследования концентрационных и мощностных зависимостей», — рассказывает один из авторов работы, старший научный сотрудник Института химии твердого тела УрО РАН Яна Бакланова.

Таким образом, авторы предложили для практического использования новую группу кристаллофосфоров и расширили представления об электронной структуре, атомном строении и оптических свойствах германатов со структурой апатита.

В исследовании принимали участие химики Института химии твердого тела УрО РАН, а также их коллеги из Института коллоидов и поверхностей имени Макса Планка (Германия), Школы инженерных наук и материаловедения Лондонского университета Королевы Марии и Лаборатории Резерфорда — Эплтона (Великобритания).