Сочетание красного, зеленого и синего позволяет создавать миллионы оттенков всей цветовой гаммы. Над созданием светодиодов этих цветов ученые бились весь прошлый век. В 1927 году физик Олег Лосев обнаружил электролюминесценцию в карбиде кремния. Это и стало первым шагом в разработке светодиодов.
Но из-за начала Второй мировой войны советский исследователь не смог продолжить работу. Позже уже в других странах были разработаны красный, зеленый и синий светодиоды, которые и поныне используют, в том числе для создания изображения в дисплеях и энергоэффективных приборах освещения.
Ученые Уральского федерального университета вместе с коллегами из Университета Савита (Индия), факультета физики инженерного колледжа Тиаграджар (Индия) и Института химии твердого тела УрО РАН разработали нанокерамику, которая люминесцирует тремя основными цветами — красным, зеленым и синим.
Как полагают создатели, характеристики нового материала — свечение, прочность и прозрачность — пригодятся для получения экранов с улучшенной яркостью и детализацией для телевизоров, смартфонов и других гаджетов.
— Это стало возможно благодаря добавлению частиц углерода, которые выступили в качестве углеродных наноточек.
В процессе синтеза углеродные компоненты «втискиваются» между частицами керамики, что образует дефекты на их поверхности. Они-то и формируют ряд энергетических уровней в углеродных наноточках, благодаря этому материал светится разными цветами в видимом спектре, — объяснил соавтор работы доцент кафедры физических методов и приборов контроля качества УрФУ Арсений Киряков.
Углеродные наноточки — это небольшие кластеры углеродных атомов, размер которых составляет несколько нанометров. Они характеризуются особым типом ковалентной связи и активной поверхностью. Благодаря этому эффективность свечения углеродных наноточек может достигать 70%, что и позволяет использовать их при создании дисплеев.
— Поскольку наша нанокерамика способна обеспечить все три базовых цвета спектра, отпадает необходимость использовать три светодиода по отдельности — достаточно будет разместить на светоизлучающем чипе один элемент для получения всех трех цветов.
А благодаря тому, что синтез керамики осуществляется под высоким давлением, наночастицы расположены друг кдругу очень плотно. Это и позволяет добиться оптической прозрачности и повысить прочность.
Такие характеристики могут способствовать росту плотности пикселей в дисплее на единицу площади, — рассказала соавтор работы доцент кафедры физических методов и приборов контроля качества УрФУ Юлия Кузнецова.
По ее словам, для получения хорошего изображения крайне важны количество пикселей и эффективность их свечения.
Дисплеи, на которых сосредоточено много пикселей, имеют более четкую картинку, но при этом страдает яркость. Экраны с меньшим количеством пикселей, напротив, имеют плохое качество картинки, но при этом хорошую яркость.
Созданная уральским учеными керамика отличается от традиционных люминофоров типом центров свечения. Это позволяет увеличить количество пикселей на экране, сохранив при этом уровень яркости.
В качестве материала для создания нанокерамики исследователи использовали алюмо-магниевою шпинель — материал, имеющий кубическую структуру кристаллической решетки. Благодаря этому свет, проходящий сквозь материал, не преломляется и не рассеивается.
Синтез керамики был осуществлен методом термобарического сжатия — с помощью процесса, при котором материал подвергается колоссальному давлению при относительно низкой температуре.
— Термобарическое сжатие — процесс подведения высокого давления, порядка нескольких гигапаскалей (такое давление реализуется в земной коре на глубине 50-60 километров).
Высокое давление позволяет снизить температуру синтеза до значений 500-600 °С — это в два раза ниже, чем у аналогичных методов для синтеза нанокерамики, таких как одноосное горячее прессование либо искроплазменное спекание.
Также сочетание давления и температуры позволяет избавиться от различных макродефектов, таких как трещины, поры, крупные кристаллиты, поскольку наночастицы в процессе синтеза претерпевают своего рода пластическую деформацию за счет того, что начинают смещаться относительно друг друга, проворачиваться и заполнять все возможные пустоты, — рассказал Арсений Киряков.
Подробная информация о новой нанокерамике опубликована в журнале Applied Materials Today. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда и программы «Приоритет-2030». Экспериментальные работы проводились в рамках госзадания.
Сергей ЛУКЬЯНЧЕНКО
Иллюстрация: www.sciencedirect.com
Нет комментариев