Учёные НИУ ВШЭ и ИНХС РАН нашли способ управлять цветом и яркостью свечения редкоземельных элементов. Люминесценция этих элементов кажется предсказуемой: например, церий излучает в ультрафиолетовом диапазоне. Однако учёные показали, что это можно изменить. Выбрав определённое химическое окружение, ион церия начал светиться желтым светом. Результаты могут помочь в разработке новых источников света, дисплеев и лазеров. Исследование опубликовано в журнале Optical Materials.
Изображение готового соединения с церием и его молекулярное строение.
© Дмитрий Ройтерштейн
Редкоземельные элементы применяют в микроэлектронике, светодиодах и люминесцентных материалах из-за возможности излучать свет строго заданного цвета. Такое свойство обусловлено поведением электронов при поглощении и выбросе энергии.
При получении атомом энергии, например, от света или электрического тока, один из его электронов может перейти на более высокий уровень. Такое состояние нестабильно и спустя короткое время электрон возвращается на прежний уровень, высвобождая излишек энергии в виде света. Этот процесс называется люминесценцией.
Рассматриваемые элементы светятся благодаря переходам электронов между орбиталями 4f. Эти области вокруг атомного ядра могут вмещать электроны. Энергия переходов обычно постоянна, поэтому цвет свечения остается неизменным: церий излучает ультрафиолетовый «свет», тербий — зеленый. Орбитали 4f находятся глубоко внутри атома и практически не взаимодействуют с внешней средой, в отличие от орбиталей 5d, чувствительных к воздействию, но обычно не участвующих в люминесценции из-за высокой энергии.
Учёные НИУ ВШЭ и ИНХС РАН продемонстрировали возможность изменения цвета излучения путём регулировки химического окружения металлов. Для синтеза комплексов церия, празеодима и тербия использовались органические лиганды — молекулы, окружающие ион металла и влияющие на его свойства. В каждом случае вокруг металла симметрично располагалось три циклопентадиенильных аниона: правильные пятиугольники из атомов углерода с присоединёнными крупными органическими фрагментами, обеспечивающими нужную структуру комплекса. Такое окружение формирует специфическое электростатическое поле вокруг иона, изменяющее энергию 5d-орбиталей и, соответственно, спектр люминесценции.
«Ранее изменения цвета свечения наблюдали, но механизм действия оставался неизвестным. В сотрудничестве с физиками удалось прояснить природу этого эффекта. Специально синтезировали соединения с необычным для лантанидов электронным строением. Не ограничиваясь одним примером, создали серию соединений от церия до тербия для выявления зависимостей свойств и установления общих закономерностей. Студент магистратуры факультета химии НИУ ВШЭ Даниил Бардонов поделился информацией.
При обычных условиях церий испускает ультрафиолетовый свет с длиной волны 300–400 нанометров. В новых комплексах свечение сместилось в красную область, достигая 655 нанометров. Это указывает на уменьшение разницы энергий между 4f- и 5d-уровнями. Подобные изменения электронных уровней наблюдались и у других изученных лантанидов, что приводило к изменению их люминесценции.
«Для понимания работы механизма необходимо рассмотреть процесс передачи энергии. Обычно молекула-лиганд поглощает свет (например, ультрафиолетовый), переходит в возбужденное состояние и передает энергию атому металла, вызывая свечение. В новых соединениях процесс иной: энергия передается не сразу 4f-электронам, а через промежуточное 5d-состояние. — сказал Дмитрий Ройтерштейн, автор статьи и руководитель программы «Химия молекулярных систем и материалов» НИУ ВШЭ.
Предсказание спектра люминесценции позволит эффективнее спроектировать материалы с заданными свойствами, избегая длительного отбора вариантов. Это ускорит создание новых световых источников.
«Мы продемонстрировали влияние окружения атома на его электронные переходы и люминесценцию лантанидов. Благодаря этому можно создавать соединения с управляемой люминесценцией и материалами с необходимыми оптическими характеристиками. Федор Черненький, будущий химик НИУ ВШЭ, поделился этой информацией.
Информация и фото предоставлены пресс-службой НИУ ВШЭ