Нано накаливания

Человечество начинает всерьез задумываться о своем будущем в условиях перенаселения Земли. Уже идет активный поиск новых способов генерации электроэнергии. Не менее важен вопрос экономии электричества. Как недавно заметил один из видных российских ученых, в деле экономии каждый житель Земли должен начать с себя, а потому каждому из нас придется переходить на более экономичные виды транспорта, более экономичные системы потребления воды, отопления и освещения домов.

Чем заменить ставшую символом просвещения лампочку накаливания, освещавшую мягким желтоватым светом жилища людей в течение поколений?

Японские ученые приблизили день прихода светодиодных светильников в домашние хозяйства, многие из которых до сих пор использует лампы накаливания, выпускаемые промышленностью уже более ста лет.

Инновация Томохико Накадзимы и его коллег позволяет не только снизить стоимость и время производства светоизлучающих элементов, но и повысить их эффективность и долговечность.

В статье, вышедшей в последнем выпуске Nature Materials, исследователи предложили новый метод мягкого синтеза неорганических люминофоров прямо на полимерной подложке. Это позволит в перспективе создавать более долговечные и яркие источники дневного света и делать их гибкими.

Казалось бы, хорошей альтернативой является переход от ламп накаливания на газоразрядные люминесцентные лампы дневного света, которые позволяют в несколько раз снизить затраты на освещение. Такие лампы сейчас обладают куда более продолжительным сроком службы и высокой светоотдачей при меньшей мощности потребляемой энергии. Даже на прилавках магазинов они продаются под общим названием «энергосберегающие».

Как выясняется, и у таких ламп есть несколько недостатков. Главный из них – это наличие ядовитых паров ртути внутри газоразрядных трубок, покрытых слоем люминофора. Конечно, запаянные в колбу из стекла, эти пары безвредны, однако все мы знаем, как легко разбить стеклянную лампочку. Второй недостаток – неестественность спектра излучения, неприятное искажение цветов предметов при освещении. Этот недостаток инженерам удалось преодолеть, создавая лампы для домашнего применения из нескольких слоев люминофоров, комбинация спектров излучения которых позволяет получить приятное желтое освещение, подобное излучению ламп накаливания. Однако такая мера приводит к снижению светоотдачи и удорожанию устройства.

Мало кто сегодня сомневается в том, что будущее осветительной индустрии принадлежит светодиодным светильникам, излучающим белый свет.

Достоинства светодиодов многочисленны. Это и малое тепловыделение, и низкое питающее напряжение, безынерционность включения, отсутствие стеклянной колбы – светодиоды могут быть полностью твердотельными прочными устройствами, а также отсутствие необходимости в применении опасных ядовитых веществ.

Главным же преимуществом светодиодных светильников является почти вдвое меньшая потребляемая мощность по сравнению даже с экономичными люминесцентными лампами.

Получить белый свет в излучении светодиодного элемента можно несколькими способами, самый дешевый и простой из которых – нанесение белого люминофора на светодиод, излучающий в ультрафиолетовом диапазоне.

Что сдерживало развитие светодиодной осветительной индустрии до последнего времени? Технологии получения светодиодных светильников белого света не позволяли сделать их достаточно эффективными, долговечными и дешевыми. Например, органические люминофоры, испускающие белый свет, до сих пор не слишком долговечны, чтобы использоваться в мощных промышленных и бытовых светильниках, неорганические же требуют высоких температур синтеза, что не позволяет получать их непосредственно в виде пленок на подложках, в роли которых выступают стекло или полимер.

Поэтому до сих пор технологи умели только наносить уже готовую пасту из люминофора в растворителе на стеклянную или полимерную поверхность. Такой подход существенно удлиняет, усложняет и удорожает процесс получения светильника. Кроме того, неизбежные остатки растворителя приводят к снижению светоотдачи, а высокие температуры, необходимые для его удаления из готового светильника, негативно сказываются на механических характеристиках полимерной подложки.

Накадзиме удалось избавиться от всех этих недостатков, синтезировав материал прямо на подложке.

В качестве люминофорного материала японские специалисты из Национального института передовых промышленных технологий выбрали класс оксидных соединений с весьма непростым названием: метаванадаты щелочноземельных элементов – калия, рубидия и цезия. Фотолюминесценция подобного класса веществ известна уже давно, хотя её параметры до сих пор не были оценены, а сами метаванадаты более пятидесяти лет оставались невостребованными.

Как оказалось, эффективность преобразования поглощаемой энергии веществом в энергию излучаемого света для метаванадата рубидия составила 79%, а для метаванадата цезия и того больше – 87%, что заставило ученых задуматься об использовании этих соединений в индустрии массового производства светодиодных осветительных приборов.

Оставалось только придумать новый метод мягкого синтеза.

Исходные компоненты синтеза представляют собой растворы органических комплексных соединений, в которых щелочноземельные металлы и ванадий содержатся в виде связанных с органическим «остовом» катионов. Эту смесь Накадзима осадил на поверхность полимера методом центрифугирования, а затем облучил эксимерной ультрафиолетовой лампой с длиной волны излучения 172 нм. Ключевыми параметрами оказалась и длина волны ультрафиолетового излучения, и время УФ-синтеза.

Двадцати минут оказалось достаточно, чтобы комплексные соединения полностью разрушились, гибкая полимерная подложка осталась невредимой, а ванадаты сформировали сферические нанокристаллы размером 50–150 нм, агрегирующиеся в гусеницеподобные микроструктуры толщиной 2 мкм. При увеличении времени синтеза дальнейшая агрегация нанокристаллов приводит к снижению квантового выхода люминесценции ванадатов.

Сферические нанокристаллы ванадатов растут благодаря разрыву связей между металлом и лигандами в комплексах под действием высокоэнергетического ультрафиолетового излучения. Это же излучение вызывает формирование озона в тонкой воздушной прослойке над пленкой нанесенных компонентов. Озон интенсивно окисляет обрывки органических молекул, а также служит источником кислорода для кристаллической решетки оксидных материалов – CsVO₃ и RbVO₃.

Точно подобранные параметры облучения позволили ученым отказаться от неизбежной прежде плазменной или термической обработки, губительной для подложки.

Химики позаботились и об эстетической составляющей. Спектр излучаемого белого света удалось настроить на более мягкие тона благодаря добавлению слоя второго люминофора на основе стронция, кальция, титана и микропримеси празеодима.

Использование подобной технологии в будущем позволит создать эффективные и долговечные гибкие светоизлучающие устройства, которые, несомненно, смогут заметно снизить затраты энергии на освещение в промышленности, а модификация испускаемого спектра излучения позволит использовать светодиоды даже в самых консервативных домах Лондона и Парижа.