Группа красноярских учёных впервые получила высокоэффективный люминофор на основе хлорида свинца и тиомочевины, предназначенный для использования в светодиодных светильниках бытового назначения.
Поскольку исходные материалы отличаются дешевизной, в отличие от «высокородных» редкоземельных металлов, из которых делают светодиоды в современном мире, запустить «свинцовые» люминофоры в массовое производство представляется очень привлекательной идеей, если бы не один важный нюанс.
«Достаточно взять хлорид свинца и тиомочевину, и перетереть их вместе в порошок — светящийся люминофор готов. Квантовый выход (проще говоря, энергоэффективность) у него составляет рекордные 93% — это означает, что каждый квант синего излучения преобразуется в фотон жёлто–зелёного света. Форма спектрального излучения материала напоминает приятный человеческому глазу солнечный свет, и индекс светопередачи у полученного люминофора тоже высок. Значит, можно производить очень доступные люминофоры для светодиодов, освещающих дома, офисные здания, подсвечивающие наружную рекламу и вывески кафе. Однако все мы знаем насколько свинец токсичен. До сих пор идут споры, стали ли свинцовые виадуки одной из причин упадка Римской империи — свинец причиняет большой вред живым организмам, накапливаясь в их тканях. Поэтому его лучше заменить на аналогичный по свойствам материал», — рассказал соавтор работы, доцент кафедры физики твердого тела и нанотехнологий СФУ, старший научный сотрудник лаборатории кристаллофизики Института физики Сибирского отделения РАН Максим Молокеев.
Подыскать подходящую замену ядовитому компоненту в перспективном люминофоре стало своего рода научным вызовом. По мнению учёных, первым кандидатом на замену может стать олово или более редкий висмут, что, предположительно, не слишком значительно изменит химическую структуру и люминесценцию полученного люминофора. Зато ядовитый «шлейф» больше не будет угрожать изготовителям и потребителям светодиодных ламп. Структура нового соединения, её геометрия в наномасштабе уже изучена исследователями, и это облегчит поиск подходящих компонентов. Главное, что сохранится, — тренд на эффективность и доступность.
«В этой истории особенно важны два слова: дёшево и эффективно. Сейчас во всём мире для люминофоров используются редкие земли, их запасы очень ограничены, а большая часть природных месторождений принадлежит Китаю, и просто так он ими делиться не станет. То есть, производить редкоземельные люминофоры дорого и невыгодно, редкие земли могут стоить в прямом смысле дороже золота. Мы выступаем в фарватере мировой химической науки, предлагая люминофор без редкоземельной составляющей. Что касается эффективности, то она, как выяснилось, не всегда напрямую зависит от благородства исходного сырья. Даже максимально доступный свинец или его заместители могут дать высокий квантовый выход, светить так, как нам надо в современном мире», — продолжил Максим Молокеев.
Важным бонусом является лёгкость изготовления «свинцового» люминофора — как уже упоминалось, это обычный механический синтез, растирание веществ до порошкообразной консистенции и смешивание в нужных пропорциях.
Новый люминофор уже прошёл первые испытания, попав в экспериментальную лампу, изготовленную научным коллективом. Оказалось, что лучше всего он подходит для освещения комнат, а вот садоводам ощутимой пользы не принесёт — что хорошо для человека, то не по душе растениям. Дело в том, что предлагаемый люминофор не выдерживает больших мощностей света, и при его помощи можно получать сравнительно небольшое количество фотосинтетической активной радиации (ФАР), что полностью устраивает человеческий глаз. А вот растениям с их потребностью в фотосинтезе предложенного количества ФАР явно недостаточно — так они недополучат нужной для жизни энергии.
В планах учёных–разработчиков продолжить поиски и испытания новых компонентов для производства дешёвого нередкоземельного люминофора, чтобы производство и утилизация светодиодных ламп на его основе соответствовало современным экологическим стандартам.
Авторы отмечают, что помимо научной новизны их исследование уникально тем, что все его стадии — от расчётов до экспериментов — были проведены красноярцами, в частности, сотрудниками Сибирского федерального университета. Возможно, со временем люминофоры, производящиеся по сибирской технологии, составят серьёзную конкуренцию китайским изделиям для создания белого света.