Физики, представляющие МФТИ и Федеральную политехническую школу в Лозанне, выясняли, почему добавление гадолиния делает светодиодное излучение более «тёплым». Исследование, которое открывает вероятные механизмы процессов, позволяющих создавать комфортное для человеческого восприятия искусственное освещение, опубликовано в Journal of Luminescence.
Светодиоды излучают свет с узким диапазоном длин волн, практически одноцветный. Чтобы получить необходимый нам для освещения белый свет, используют либо несколько светодиодов (красный, зелёный и синий), либо синий светодиод в сочетании с люминофором. Наиболее часто в этом качестве применяется иттрий-алюминиевый гранат с добавлением церия — жёлтый порошок, способный под воздействием света синего светодиода излучать свет широкого спектра, с максимумом в области жёлтого. Сложение спектров синего светодиода и жёлтого люминофора воспринимается как белый свет.
Светодиодные лампы яркие, но тратят мало энергии. Их использование позволяет экономить значительные средства, но многие предпочитают использовать в быту малоэффективные лампы накаливания — их свет «приятнее». В чём же дело? Оказывается, наши ощущения от света можно «измерить» с помощью индекса цветопередачи — коэффициента, показывающего насколько отличаются цвета предметов при освещении Солнцем и при искусственном.
Цветопередача источника с показателем 100 полностью соответствует солнечному свету — среди таких источников и лампы накаливания, даже несмотря на то, что они передают не очень хорошо синие цвета. Индекс же цветопередачи светодиодных ламп колеблется от 60 до 90.
По сравнению со спектром дневного света, в свете белых светодиодов мало красного и сине-зелёного, и очень много синего.
По сравнению со спектром дневного света, в свете белых светодиодов мало красного и сине-зелёного, и очень много синего (смотрите рисунок 2). Чтобы приблизить светодиодное освещение к естественному, в люминофор добавляют различные дополнительные вещества, стараясь «растянуть» его спектр в красную и синюю стороны. В частности, для этого используют гадолиний. Но внесение добавки оказывает влияние ещё и на яркость люминесценции, и на распределение частиц люминофора по размерам, что тоже влияет на спектр и на интенсивность — в результате достаточно трудно понять изменение какого параметра дало какой эффект и, как следствие, трудно люминофор эффективно модифицировать.
Чтобы изучить влияние каждого фактора в отдельности, учёные использовали четыре синтезированных люминофора с разными содержаниями церия и гадолиния, а затем, отстояв суспензии из люминофора в воде, отделили мелкие частички (они собираются в супернатанте в верхней части пробирки). Так исследователи получили возможность отдельно измерить люминесценцию мелких фракций люминофоров и сравнить их с исходными порошками.
У образцов с частицами малых размеров и с частицами разного размера снимали спектры фото- и катодолюминесценции. Оба метода основаны на регистрации света, испускаемого образцом, после внешнего воздействия. В первом случае это воздействие светом (фотонами), во втором — пучком электронов (катодным лучом). Оказалось, что чем больше содержание гадолиния в образце, тем сильнее сдвиг максимума спектра фотолюминесценции в красную область, причём это верно как для образов с малым размером частиц, так и для содержащих более крупные.
Спектр катодолюминесценции имеет более хитрую структуру — здесь можно выделить три главных пика (рисунки 3-1 и 3-2). При изменении размеров частиц и концентрации гадолиния положение пиков не меняется, но происходит перераспределение интенсивностей, поэтому в качестве характеристики была взята медианная линия спектра (то есть та, которая разделит его на две части равной площади).
Интересно, что медианные линии для мелких частиц оказались сдвинуты в синюю область спектра для всех образцов, кроме одного. Общая же тенденция сохраняется при всех размерах частиц, и для всех образцов — при увеличении содержания гадолиния в образцах спектр сдвигается в красную область. Причём наиболее заметную роль в этом играет увеличение интенсивности излучения с длиной волны 595 нм.
Это заставило учёных искать новое объяснение эффекту — согласно прежним представлениям гадолиний должен влиять не на интенсивность пиков в спектре, а на их положение. Поскольку выраженность эффекта коррелирует с содержанием гадолиния в люминофоре, было сделано предположение, что гадолиний влияет на положение некоторых из восьми ионов кислорода вокруг иона церия. Тогда симметрия поля вокруг церия, обычно близкая к кубической, нарушается, и ранее запрещённый переход электронов между энергетическими уровнями иона церия становится разрешённым, что и ведёт к появлению линии 595 нм в спектре.
Впрочем, специалисты не исключают существования и других объяснений.
«Влияние гадолиния — известный факт, но почему свет благодаря ему становится теплее, изучено недостаточно хорошо, хотя технологи и активно пользуются этим. Мы в своём исследовании дали наводку на происхождение эффекта — описали механизм гадолиниевого сдвига спектра излучения, и это описание идёт вразрез с принятыми представлениями в этой области», — сказал Степан Лисовский, научный сотрудник Центра испытаний функциональных материалов МФТИ.
