Кристаллохимический дизайн новых люминофоров на основе боратов щелочно-редкоземельных элементов

Проект Министерства образования и науки Республики Казахстан
ИРН: AP08855427

Актуальность проекта:
Проект направлен на изучение кристаллохимических особенностей новых соединений щелочноземельных и редкоземельных боратов. Данные материалы представляют интерес для практического применения в качестве твердотельных люминофоров в оптических устройствах (светодиоды, дисплеи, сенсоры и др.).

Цель проекта:

На базе комплексного подхода, включающего кристаллохимический дизайн, синтез, и измерение оптических свойств получить новые эффективные люминофоры, используя в качестве матриц сложные щелочно-редкоземельные бораты NaBaR(BO₃)₂, KCaR(BO₃)₂, KSrR(BO₃)₂, K₇CaR₂(B₅O₁₀)₃ (где R- Y или Sc).

Задачи проекта:

1) Твердофазный и раствор-расплавный синтез соединений на основе щелочноземельных и редкоземельных боратов.

2) Определение фазового состава и структурных характеристик синтезированных соединений в зависимости от катионного набора и типа/концентрации легирующей прмиеси.

3) Исследование люминесцентных и колориметрических свойств полученных соединений.

4) Определение процедуры синтеза и оптимального состава люминофора для создания прототипа светодиодной матрицы.

Основные члены проекта:

1) Руководитель проекта - PhD Болатов А.К.

Researcher ID: 56436739800

Google Scholar: https://scholar.google.com/citations?user=guNekCoAAAAJ&hl=ru&oi=ao

ORCID: 0000-0002-9677-2114

Research Gate: https://www.researchgate.net/profile/Asset-Bolatov?ev=hdr_xprf

2) к.х.н., профессор Уралбеков Б.М.

ResearcherID: GBZ-9921-2022

Google Scholar: https://scholar.google.com/citations?user=1HXyU5wAAAAJ&hl=ru&oi=ao

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3245-4096

ResearchGate: https://www.researchgate.net/profile/Bolat-Uralbekov

3) д.т.н. Кох А.Е.

ResearcherID: 35781043400

ORCID: 0000-0001-8915-4329

ResearchGate: https://www.researchgate.net/profile/A-Kokh

4) к.г-м.н. Кох К.А.

ResearcherID: CYQ-4234-2022

Google Scholar: https://scholar.google.com/citations?user=uzTTxDkAAAAJ&hl=ru

ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1967-9642

ResearchGate: https://www.researchgate.net/profile/Konstantin-Kokh

 

5) к.г-м.н. Кузнецов А.Б.

ResearcherID: 57191852945

ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3808-8098

Research Gate: https://www.researchgate.net/profile/Artem-Kuznetsov-6

6) PhD докторант Жолдас Е.А.

7) PhD докторант Оразов Ж.К.

ResearcherID: 57226807984

ORCID: 0000-0002-6562-6093

Research Gate: https://www.researchgate.net/profile/Zhandos-Orazov-2

Используемые методы:

1.    Высокотемпературный твердофазный синтез

2.    Раствор-расплавный метод синтеза

3.    Оптическая и сканирующая электронная микроскопия

4.    Рентгенофазовый анализ на порошке

5.    ИК-Фурье спектроскопия

6.    Термогравиметрический анализ

7.    Спектрофлуориметрия

8.    Спектрорадиометрия

Ожидаемые результаты:

1) Будут определены оптимальные температуры синтеза и химический состав новых люминесцентных соединений на базе кристаллических матриц NaBaR(BO3)2, KCaR(BO₃)₂, KSrR(BO₃)₂, K₇CaR₂(B₅O₁₀)₃ (R-РЗЭ); 2) Методами рентгеновской дифракции будут определены структурные особенности синтезированных соединений; 3) В зависимости от типа легирующих ионов (Eu³⁺, Tb³⁺, Ce³⁺ и пары ионов Ce³⁺/Tb³⁺, Ce³⁺/Eu³⁺, Tb³⁺/Yb³⁺) будут определены особенности энергетических переходов, определяющих люминесценцию, включая характеристики по тушению, времени затухания, выхода люминесценции; будут получены цветовые диаграммы для полученных образцов люминофоров.

Достигнутые результаты

Достигнутые результаты за 2020

Были проведены работы по изучению и установлению условий твердофазного синтеза соединений боратов NaBaSc(BO₃)₂, KSrY(BO₃)₂, легированных ионами (Eu³⁺, Tb³⁺, Ce³⁺, Yb³⁺) и парами ионов (Eu³⁺/Tb³⁺, Ce³⁺/Eu³⁺, Tb³⁺/Yb³⁺), определены оптимальные концентраций легирующих ионов для получения моно- и солегированых соединений NaBaSc(BO₃)₂, KSrY(BO₃)₂, исследованы и проанализированы фазовые составы полученных соединений, их структуры уточнены методом Ритвельда, исследованы люминесцентные свойства полученных соединений.

Достигнутые результаты за 2021

Изучены и установлены условия твердофазного синтеза соединений боратов KCaR(BO₃)₂, K₇CaR₂(B₅O₁₀)₃, легированных ионами (Eu³⁺, Tb³⁺, Ce³⁺, Yb³⁺) и парами ионов (Eu³⁺/Tb³⁺, Ce³⁺/Eu³⁺, Tb³⁺/Yb³⁺), определены оптимальные концентраций легирующих ионов для получения моно- и солегированых соединений KCaR(BO₃)₂, K₇CaR₂(B₅O₁₀)₃, исследованы и проанализированы фазовые составы полученных соединений, их структуры уточнены методом Ритвельда, исследованы люминесцентные свойства полученных соединений.

Достигнутые результаты за 2022

Исследованы колориметрические характеристики (чистота цвета, эффективность (светоотдача), температура свечения (цвет)) новых люминофоров с использованием методов спектрофлуориметрии, спектрорадиометрии и CIE цветовой диаграммы. Выработаны рекомендации по разработке прототипа нового люминофора со спектральными характеристиками, для использования при получении белых светодиодов

ПУБЛИКАЦИИ ПО ПРОЕКТУ

Патенты РК:

Болатов А.К., Жолдас Е.А., Оразов Ж.К., Уралбеков Б.М., Шевченко В.С., Кононова Н,Г., Кох А.Е., Кузнецов А.Б., Кох К.А. Положительное решение о выдаче патента РК на полезную модель «Способ получения люминесцентных материалов на основе сложного бората, легированного ионами тербия и европия», заявка №2021/0208.2.

Статьи в международных журналах:

1) Kuznetsov A.B., Kokh K.A., Kononova N.G., Shevchenko V.S., Rashchenko S.V., Ezhov D.M., Jamous A., Bolatov A., Uralbekov B., Svetlichnyi, Kokh A.E. (2021). Polymorphism in SmSc₃(BO₃)₄: Crystal structure, luminescent and SHG properties. Journal of Alloys and Compounds, 851, 156825.

2) Kuznetsov A.B., Kokh K.A., Kononova N.G., Shevchenko V.S., Rashchenko S.V., Lapin I. N., Bolatov A., Uralbekov B., Simonova E., Kokh A. E. (2021). Study of an SmBO₃–ScBO₃ system and new SmSc(BO₃)₂ orthoborate. CrystEngComm, 23(6), 1482-1488.

3) Kuznetsov A.B., Kokh K.A., Sagatov N., Gavryushkin P.N., Molokeev M. S., Svetlichnyi V., Lapin I.N., Kononova N.G., Shevchenko V.S., Bolatov A., Uralbekov B., Goreiavcheva A.A., Kokh A. E. (2022). Synthesis and Growth of Rare Earth Borates NaSrR (BO₃)₂ (R= Ho–Lu, Y, Sc). Inorganic Chemistry, 61 (19), 7497-7505.

Тезисы материалы конференций (ФИО докладчика подчеркнуто):

1) A.B. Kuznetsov, K.A. Kokh, N.G. Kononova, B. Uralbekov, V.A. Svetlichnyi, A.E. Kokh Search of new rare earth borates prototyped by carbonate minerals ECS6 / July 4–10, 2021 / Budapest, Hungary.

2) Н.Г. Кононова, А.Б. Кузнецов, К.А. Кох, В.С. Шевченко, Н. Сагатов, П.Н. Гаврюшкин,  В.А. Светличный, A. Болатов, А.Е. Кох. Новые редкоземельные бораты NaSrR(BO₃)₂ (R = Ho‒Lu, Y, Sc): синтез, структура и свойства // Материалы Всероссийской научной конференции с международным участием: IV Байкальский материаловедческий форум, Улан-Удэ, 2022. – С. 312.

3) Bolatov A., Zholdas Y., Orazov Zh., Kadenova D. Материалы международной европейской конференции по росту кристаллов (ECCG7) – Париж, 25-27 июля 2022 г.

Потенциальным пользователям проекта:

Целевыми потребителями полученных результатов являются компании-разработчики светодиодного освещения; исследовательские компании, занимающиеся работами в области синтеза и изучения свойств рассматриваемого материала; Министерство энергетики – прототип люминофора; Министерство образования и науки – статьи в журналах с импакт-фактором, отражающие фундаментальные исследования.

Рисунок – CIE диаграмма цветности для K₇CaY₂(B₅O₁₀)₃:nEu³⁺