Передовые разработки в области фотоники ведут молодые учёные Дальневосточного федерального университета во главе с кандидатом технических наук, профессором Денисом Косьяновым. В результате трёхлетних исследований коллектив создал уникальный двухфазный керамический люминофор – компонент, который позволит создать чрезвычайно мощные осветительные устройства на основе свето- и лазерных диодов. Изобретение представителей ДВФУ может стать подспорьем для исследователей морских глубин, спасателей, специалистов в области высокотехнологичной медицины и даже для покорителей космоса.
В основе разработки команды научно-образовательного центра «Передовые керамические материалы», директором которой является Денис Косьянов, лежит усовершенствование базового принципа работы белых светодиодов. Данное устройство состоит из двух основных компонентов: синего светоизлучающего диода и так называемого фотолюминофора. Последний представляет собой небольшое покрытие, прилегающее к диоду, свечение которого возникает при частичном преобразовании синего света. Излучение диода и люминофора, смешиваясь, даёт белый свет того или иного оттенка.
«Большинство люминофор-конвертеров в коммерческих белых светодиодах изготавливают путём нанесения слоя люминофора на основе порошка алюмоиттриевого граната на фиксирующую кремний-органическую смолу. Технические характеристики светодиодов такого типа удовлетворяют большую часть нужд потребителей в повседневной жизни, однако у них есть также и ярко выраженные недостатки. Слой люминофора неоднороден, его теплопроводность низкая, что неминуемо приводит к так называемому выгоранию в процессе эксплуатации. <…> Поэтому и возникла необходимость в создании новой формы люминофора, который обладал бы как высокими показателями светоотдачи и однородности цвета, так и теплопроводности и термической стойкости», – рассказал кандидат технических наук, профессор департамента промышленной безопасности Политехнического института Денис Косьянов.
Поиск решения данных проблем привёл к разработке новых форм исполнения люминофоров – таких как порошок в стекле, оптическая керамика, стеклокерамика и моно- и эвтектические кристаллы. По набору термических и физико-механических свойств самым перспективным вариантом формы оказались оптические керамики – теплопроводность по сравнению с порошковым вариантом выросла почти в 100 раз.
В рамках гранта Российского научного фонда специалистам ДВФУ предстояло не только воссоздать керамический люминофор, но и выявить оптимальный способ его производства, научиться управлять параметрами микроструктуры данного опто-функционального материала. Итоги работы в том числе отражены в статье, опубликованной в Journal of Advanced Ceramics.
«Поиски привели нас к созданию керамического бифазного композита на основе функциональной и термически-стабильной фаз. В роли второго компонента была выбрана фаза оксида алюминия. <...> В результате был достигнут рост теплопроводности материала ещё на 50%», – подчеркнул профессор Косьянов.
Дальневосточные учёные добились существенных успехов и в производственном процессе. Запатентован новый подход в рамках керамических технологий создания подобных композитов – так называемое реакционное искровое плазменное спекание, которое позволяет получать материалы при значительно более низкой температуре и продолжительности процесса, чем классическое вакуумное спекание. Продолжительность цикла спекания сократилась в 15 раз.
Создание люминофора нового поколения открывает перед промышленниками и учёными возможности по созданию беспрецедентно-мощных осветительных устройств на основе светодиодных и лазерных систем. Для данной концепции способность люминофора-конвертера выдерживать высокую тепловую нагрузку от «источника возбуждения» выступает критически важным условием, и здесь двухфазная керамика придётся как раз к месту. Ведь если в случае использования светодиодов эффективная плотность входной мощности ограничена значением в 3 ватт на квадратный сантиметр, то для лазеров с кристаллами синего диапазона она составляет уже около 25 киловатт на квадратный сантиметр – разница превышает 8 тысяч раз.
В отличие от светодиодных, в лазерных системах освещения свет распространяется плотным пучком и, обеспечивая очень высокую светимость, будет эффективен для работы на большие расстояния. Такая сверхмощная аппаратура может использоваться при исследованиях морских глубин, новых подходах в проецировании изображений и эндоскопии, и даже при передаче данных. Пригодятся такие разработки и при оптимизации систем освещения мега-сооружений, аэропортов, взлётно-посадочных полос, железнодорожных путей, летательных аппаратов, а также в космической отрасли.
Сейчас учёные ДВФУ заняты производством серий опытных образцов и макетов осветительных устройств на их основе. В дальнейшем планируется переход на этап опытно-конструкторских и технологических работ с привлечением индустриальных партнёров.
На протяжении большей части пути помощь дальневосточным учёным оказывали коллеги из Шанхайского института керамики, одного из ведущих мировых научно-исследовательских учреждений. Специалисты из КНР сделали весомый вклад в сравнительный анализ разрабатываемых люминофоров с известными мировыми аналогами.
«Проект, которым занимается наша группа вот уже как 3 года, − один из передовых на мировом уровне. Можно констатировать, что мы двигаемся в авангарде развития данного направления. Команд учёных, которые занимаются этим вопросом в открытом доступе, во всём мире известно не более пяти, при этом в России данную тематику больше никто не ведёт. Согласно дорожной карте развития фотоники в Российской Федерации, разработка технологий создания подобных материалов является критическим направлением, обеспечивающим приоритетное развитие и безопасность большинства отраслей промышленности», – заключил профессор Косьянов.
