Высокоэнтропийная прозрачная микро- и нанокерамика на основе оксидов редкоземельных элементов для down- и up-конверсии излучений

В настоящее время одним из новых и активно развивающихся направлений в материаловедении является создание и исследование свойств высокоэнтропийных соединений. Высокоэнтропийные соединения представляют собой однофазный твердый раствор, содержащий не менее пяти различных элементов в равном молярном соотношении и характеризующийся улучшенными механическими, физическими и химическими свойствами по сравнению с традиционными материалами простого состава. Исследования, проведенные за последнее десятилетие, показали, что высокоэнтропийные сплавы, оксиды, карбиды, бориды, нитриды и сульфиды перспективны для практического использования в довольно широком спектре областей науки и техники (включая создание новых твердотельных аккумуляторов, эффективных катализаторов, термобарьерных покрытий, сверхпроводников и т.д.). Вместе с тем, исследования оптических свойств подобных материалов на сегодняшний день весьма ограничены. Получение информации о комплексе электронно-оптических характеристик высокоэнтропийных соединений позволит установить принципиальные возможности их использования для разработки новых эффективных устройств преобразования излучений (лазеры, светодиоды, дисплеи, фотосенсоры, УФ-ИК конвертеры, новые типы солнечных элементов). В рамках настоящего проекта планируется синтез и исследование оптических свойств прозрачной высокоэнтропийной керамики на основе оксидов редкоземельных элементов (РЗЭ). Особенность энергетической структуры трехвалентных ионов РЗЭ обеспечивает возможность реализации нелинейных оптических процессов (так называемая «down» и «up»-конверсия), лежащих в основе преобразования UV и IR излучений в свет видимого диапазона. В свою очередь, кумулятивный эффект нескольких катионов РЗЭ в высокоэнтропийном оксидном соединении может обеспечить принципиально новые оптические свойства и особенности преобразования энергии по сравнению с известными материалами. В ходе выполнения проекта будет реализована оригинальная технология термобарического синтеза образцов прозрачной микро- и нанокерамики различного состава (Y, La, Gd, Yb, Eu (Er, Tm))2O3. На основе комплексной аттестации синтезированных керамик методами рентгеновской дифракции, электронной микроскопии, спектроскопии комбинационного рассеяния света и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии будут установлены корреляции между используемыми режимами термобарического синтеза, структурой и морфологией материалов. Комплекс спектроскопических исследований (оптическое поглощение/пропускание/отражение, фотолюминесценция с пико- и наносекундным временным разрешением) в широком диапазоне температур (4К – 500К) позволит установить природу оптически активных центров и механизмов UV – Vis – IR преобразования энергии в исследуемых образцах. Моделирование методами DFT и MD позволит исследовать динамику решетки, атомную и энергетическую структуру центров конверсии и сформулировать рекомендации для оптимизации свойств материалов. В конечном счете для исследуемых объектов будет установлена взаимосвязь “режим синтеза - структура, морфология - оптически активные центры - механизмы миграции энергии - эффективность UV-VIs-IR конверсии”. Полученные результаты обеспечат необходимый задел для разработки новых материалов на основе высокоэнтропийной прозрачной керамики для устройств детектирования и преобразования электромагнитных излучений (светодиоды, лазеры, фотодетекторы, элементы возобновляемой энергетики и др.).