Специалисты Лаборатории нейтронной физики Объединенного института ядерных исследований в составе международной научной группы провели детальные структурные исследования уникальных оптических материалов — силикатных стекол допированных наночастицами Cu₂Se и европием. В результате было выявлено, что вокруг наночастиц селенида меди формируется особая область, дающая основу для влияния на оптические свойства таких стеклянных материалов.

Получение новых материалов с заданными свойствами – актуальная задача сегодняшнего дня. К таким материалам относятся и уникальные силикатные стекла с редкоземельными элементами, и содержащие наночастицы полупроводники. Подобные материалы находят применение при создании фар, сигнальных ламп, лазерной техники, в имитации драгоценных камней. Эти прозрачные материалы имеют перспективы в детекторах ионизирующих излучений, материалах с квантовыми точками, люминофорах и источниках света.

Установлено, что при добавлении в силикатные стекла с наночастицами селенида меди Cu₂Se и европия Eu происходит изменение оптических свойств этих стекол. Предполагается, что европий перераспределяет энергетические уровни оптических наночастиц селенида меди, дает им дополнительные оптические переходы за счет переноса поглощенной энергии светового излучения от полупроводника к редкоземельным элементам. Получается, что, варьируя свойства полупроводниковых наночастиц и концентрацию добавляемого европия в стеклянной матрице, можно управлять оптическими свойствами такой системы. Однако, что происходит на структурном микроскопическом уровне организации таких систем, какие структурные предпосылки этих оптических эффектов, было не ясно.

И поэтому команда ученых из Лаборатории нейтронной физики им. И. М. Франка ОИЯИ и белорусских университетов объединила усилия для исследования структурного аспекта оптических свойств в стеклянных материалах. Как рассказывает научный сотрудник отдела НЭОНИКС ЛНФ ОИЯИ, к.ф.-м.н. Антон Руткаускас, для решения этой сложной задачи были задействованы несколько экспериментальных методов: малоуглового рассеяния нейтронов и атомно-силовой микроскопии (АСМ). Установлено, что в исследуемых стеклах формируются наночастицы селенида меди с размерами 50–90 нм. «Но самое интересное, – рассказывает Антон Владимирович, — что вокруг этих наночастиц формируется некая локальная область, богатая европием». Именно это и служит структурным базисом для изменения оптических свойств таких стеклянных материалов.

Пример характерного изображения АСМ для исследуемого образца

«Следующим этапом станет исследование люминесценции и определяющие ее структурные особенности других стеклянных материалов, синтезированных нашими белорусскими коллегами», — отмечает Руткаускас Антон. Сейчас у Лаборатории нейтронной физики появился новый научный прибор- рентгеновская установка SAXS Xeuss 3.0, которая позволяет проводить не только исследования наночастиц с помощью рентгеновского малоуглового рассеяния, но и кристаллическую структуру методом рентгеновской дифракции.

Подробнее об исследуемых соединениях можно прочитать в препринте ОИЯИ «Исследование силикатных золь-гель-стекол, допированных наночастицами Cu₂Se и Eu, методами малоуглового рассеяния нейтронов и атомно-силовой микроскопии». Авторы: А. В. Руткаускас¹, Ю. Е. Горшкова ^1,2, В. С. Гурин³, С. Е. Кичанов¹, Д. П. Козленко¹, А. А. Алексеенко⁴. Работа проведена при участии ОИЯИ и трех белорусских вузов: Белорусского государственного университета, Белорусского государственного технологического Университета и Гомельского государственного технического университета.

1. Объединенный институт ядерных исследований, Дубна
2. Казанский федеральный университет, Казань, Россия
3. Научно-исследовательский институт физико-химических проблем Белорусского государственного университета, Минск
4. Гомельский государственный технический университет им. П. О. Сухого, Гомель, Беларусь