Кристаллографы из Санкт-Петербургского государственного университета в сотрудничестве с учеными НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ — Институтом химии силикатов имени И.В. Гребенщикова получили и провели комплексное исследование нового семейства оксоборатов. Полученные соединения обладают значимыми нелинейно-оптическими характеристиками и отличаются высокой термической устойчивостью, что создает возможности для их использования в приборах, предназначенных для работы в сложных условиях: от пьезоэлектриков и люминофоров до специализированных лазеров. Исследование, которое было поддержано грантом РНФ, опубликованы в научном журнале Inorganic Chemistry Communications.
Бораты и соли борной кислоты давно интересуют специалистов в области материаловедения из-за их разнообразной структуры и превосходных оптических свойств. В первую очередь, нелинейно-оптические характеристики стали причиной их широкого применения в приборостроении, например, в твердотельных лазерах, а также в качестве эталонных компонентов на синхротронах.
Бораты, содержащие редкоземельные элементы, вызывают значительный интерес, поскольку они активно исследуются в качестве основы для перспективных люминофоров и термостойких материалов. Недавнее исследование, проведенное учеными из Санкт-Петербурга, продолжает эту направленность, представляя соединения с особым набором свойств.
В качестве объекта исследования рассматривается семейство соединений бората с формулой Ca₆Ln₁₂O₉(BO₃)₁₀ (где Ln = La-Gd). Их кристаллическая структура характеризуется каркасной организацией с каналами, содержащими треугольные группы BO₃. При нагревании выше 1000 °C эта структура проявляет любопытный эффект: некоторые «треугольники» в каналах теряют фиксированную ориентацию, переходя в состояние с некоторой степенью беспорядка.
«Сочетание регулируемых нелинейно-оптических характеристик, которые определяются используемым редкоземельным элементом, и высокой устойчивости к нагреву является ключевым достоинством этих материалов. Запрещенную зону можно настроить на ультрафиолетовую область спектра, при этом структура сохраняет стабильность в диапазоне температур от минусовых значений до примерно 1200 °С», — так пояснила доцент кафедры кристаллографии СПбГУ Мария Кржижановская.
Новое семейство соединений было найдено почти случайно, в процессе исследования уже известных боратов. В ходе изучения промежуточных продуктов синтеза ученым удалось выделить монокристалл с ранее не встречающимися характеристиками. После определения структуры и химической формулы с помощью рентгеноструктурного анализа, исследователи намеренно синтезировали серию из пяти соединений, изменяя редкоземельный компонент. Использование комбинации методов порошковой рентгеноструктурного анализа и комплексного термического анализа позволило установить, как именно изменяется структура при нагревании, и точно установить температуры плавления.
«Все полученные в ходе синтеза бораты не обладают центром симметрии, что является важным фактором, определяющим их нелинейно-оптические свойства. Экспериментально это было подтверждено: зафиксирована генерация второй гармоники, получены спектры поглощения и рассчитаны ширины запрещенных зон», — сообщил магистрант СПбГУ Георгий Сизов.
Благодаря сохранению стабильности в очень широком температурном диапазоне, эти материалы представляются многообещающими для изготовления деталей аналитического оборудования и лазерных систем. Также предполагается, что «канальная» структура новых боратов может быть полезной для демонстрации ионообменных свойств, что указывает на дополнительные возможности для дальнейших изысканий.
Работа была выполнена с использованием оборудования, расположенного в ресурсных центрах «Рентгенодифракционные методы исследования», «Геомодель» и «Оптические и лазерные методы исследования вещества» Научного парка СПбГУ.
Информация предоставлена пресс-службой СПбГУ