Человечество начинает всерьез задумываться о своем будущем в условиях перенаселения Земли. Уже идет активный поиск новых способов генерации электроэнергии. Не менее важен вопрос экономии электричества. Как недавно заметил один из видных российских ученых, в деле экономии каждый житель Земли должен начать с себя, а потому каждому из нас придется переходить на более экономичные виды транспорта, более экономичные системы потребления воды, отопления и освещения домов.
Чем заменить ставшую символом просвещения лампочку накаливания, освещавшую мягким желтоватым светом жилища людей в течение поколений?
Японские ученые приблизили день прихода светодиодных светильников в домашние хозяйства, многие из которых до сих пор использует лампы накаливания, выпускаемые промышленностью уже более ста лет.
Инновация Томохико Накадзимы и его коллег позволяет не только снизить стоимость и время производства светоизлучающих элементов, но и повысить их эффективность и долговечность.
полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком участке спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава использованного в нем полупроводника. Считается, что первый светодиод, излучающий свет в видимом диапазоне спектра, был изготовлен в 1962 году в Университете Иллинойса группой, которой руководил Ник Холоньяк.
Как и во всяком полупроводниковом диоде, в светодиоде имеется p-n переход. При пропускании электрического тока в прямом направлении, носители заряда — электроны и дырки рекомбинируют с излучением фотонов.
Не всякие полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Хорошими излучателями являются, как правило, прямозонные полупроводники типа AIIIBV (например, GaAs или InP) и AIIBVI (например, ZnSe или CdTe). Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS).
Диоды, сделанные из непрямозонных полупроводников (например, кремниевый Si или германиевый Ge диоды, а также сплавы SiGe, SiC) свет практически не излучают. Впрочем, в связи с развитостью кремниевой технологии, активно ведутся работы по созданию светоизлучающих диодов на основе кремния. Последнее время большие надежды связывают с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов.
Казалось бы, хорошей альтернативой является переход от ламп накаливания на газоразрядные люминесцентные лампы дневного света, которые позволяют в несколько раз снизить затраты на освещение. Такие лампы сейчас обладают куда более продолжительным сроком службы и высокой светоотдачей при меньшей мощности потребляемой энергии. Даже на прилавках магазинов они продаются под общим названием «энергосберегающие».
Как выясняется, и у таких ламп есть несколько недостатков. Главный из них — это наличие ядовитых паров ртути внутри газоразрядных трубок, покрытых слоем люминофора. Конечно, запаянные в колбу из стекла, эти пары безвредны, однако все мы знаем, как легко разбить стеклянную лампочку. Второй недостаток — неестественность спектра излучения, неприятное искажение цветов предметов при освещении. Этот недостаток инженерам удалось преодолеть, создавая лампы для домашнего применения из нескольких слоев люминофоров, комбинация спектров излучения которых позволяет получить приятное желтое освещение, подобное излучению ламп накаливания. Однако такая мера приводит к снижению светоотдачи и удорожанию устройства.
Мало кто сегодня сомневается в том, что будущее осветительной индустрии принадлежит светодиодным светильникам, излучающим белый свет.
Достоинства светодиодов многочисленны. Это и малое тепловыделение, и низкое питающее напряжение, безынерционность включения, отсутствие стеклянной колбы — светодиоды могут быть полностью твердотельными прочными устройствами, а также отсутствие необходимости в применении опасных ядовитых веществ.
Главным же преимуществом светодиодных светильников является почти вдвое меньшая потребляемая мощность по сравнению даже с экономичными люминесцентными лампами.
Получить белый свет в излучении светодиодного элемента можно несколькими способами, самый дешевый и простой из которых — нанесение белого люминофора на светодиод, излучающий в ультрафиолетовом диапазоне.
(от лат. lumen - свет и греч. «несущий») - вещества, способные преобразовывать поглощаемую ими энергию в световое излучение (люминесцировать). По химической природе люминофоры разделяются на неорганические и органические. Неорганические люминофоры применяют в люминесцентных лампах, электронно-лучевых трубках, для изготовления рентгеновских экранов, служат индикаторами радиации и др. Органические люминофоры (люмогены) применяют для изготовления ярких флуоресцентных красок, люминесцирующих материалов, используют в чувствительном люминесцентном анализе в химии, биологии, медицине и криминалистике.
Поэтому до сих пор технологи умели только наносить уже готовую пасту из люминофора в растворителе на стеклянную или полимерную поверхность. Такой подход существенно удлиняет, усложняет и удорожает процесс получения светильника. Кроме того, неизбежные остатки растворителя приводят к снижению светоотдачи, а высокие температуры, необходимые для его удаления из готового светильника, негативно сказываются на механических характеристиках полимерной подложки.
Накадзиме удалось избавиться от всех этих недостатков, синтезировав материал прямо на подложке.
В качестве люминофорного материала японские специалисты из Национального института передовых промышленных технологий выбрали класс оксидных соединений с весьма непростым названием: метаванадаты щелочноземельных элементов — калия, рубидия и цезия. Фотолюминесценция подобного класса веществ известна уже давно, хотя её параметры до сих пор не были оценены, а сами метаванадаты более пятидесяти лет оставались невостребованными.
Как оказалось, эффективность преобразования поглощаемой энергии веществом в энергию излучаемого света для метаванадата рубидия составила 79%, а для метаванадата цезия и того больше — 87%, что заставило ученых задуматься об использовании этих соединений в индустрии массового производства светодиодных осветительных приборов.
Оставалось только придумать новый метод мягкого синтеза.
(от лат. ligo - связываю) — нейтральные молекулы, ионы или радикалы, связанные с центральным атомом комплексного соединения.
Ими могут быть ионы (Н-, Наl-, NO3-, NCS- и др.), неорганические молекулы (Н2, Сn, N2, Рn, О2, Sn, СО, СО2, NH3, NO, SO2, NO2, COS и др.), органические соединения, содержащие элементы главных подгрупп V, VI, VII групп периодической системы или p-донорную функциональную группу.
Большая группа Лигандов -биологически важные соединения (аминокислоты, пептиды, белки, пурины, порфирины, коррины, макролиды) и их синтетические аналоги (краун-эфиры, криптанды), а также полимеры с донорными атомами и хелатообразующими группировками. Лиганды могут быть связаны с центральным атомом s-, p- и d-двухцентровыми или многоцентровыми связями.
В случае образования двухцентровых связей в лигандах можно выделить донорные центры (обычно атомы N, О, S, Cl или кратные связи). Многоцентровое связывание осуществляется за счет p-системы ароматических лигандов (бензол, циклопентадиенид-анион) или гетероароматических лигандов (пиррол, тиофен, метилпиридины).
Важнейшая количественная характеристика донорно-акцепторной способности лигандов - дентатность, определяемая числом донорных центров лигандов, участвующих в координации. По этому признаку лиганды делятся на моно-, ди-, ... полидентатные. Координационное число комплексообразователя для монодентатных лигандов совпадает с их количеством, для прочих равно произведению числа лигандов на их дентатность.
Природа лигандов определяет типы координационных соединений (аквакомплексы, амминокомплексы, ацидокомплексы, молекулярные аддукты, хелаты, p-комплексы и др.); от нее зависят свойств, строение и реакционная способность комплексных соединений и возможность их практического применения.
Двадцати минут оказалось достаточно, чтобы комплексные соединения полностью разрушились, гибкая полимерная подложка осталась невредимой, а ванадаты сформировали сферические нанокристаллы размером 50–150 нм, агрегирующиеся в гусеницеподобные микроструктуры толщиной 2 мкм. При увеличении времени синтеза дальнейшая агрегация нанокристаллов приводит к снижению квантового выхода люминесценции ванадатов.
Сферические нанокристаллы ванадатов растут благодаря разрыву связей между металлом и лигандами в комплексах под действием высокоэнергетического ультрафиолетового излучения. Это же излучение вызывает формирование озона в тонкой воздушной прослойке над пленкой нанесенных компонентов. Озон интенсивно окисляет обрывки органических молекул, а также служит источником кислорода для кристаллической решетки оксидных материалов — CsVO3 и RbVO3.
Точно подобранные параметры облучения позволили ученым отказаться от неизбежной прежде плазменной или термической обработки, губительной для подложки.
Химики позаботились и об эстетической составляющей. Спектр излучаемого белого света удалось настроить на более мягкие тона благодаря добавлению слоя второго люминофора на основе стронция, кальция, титана и микропримеси празеодима.
Использование подобной технологии в будущем позволит создать эффективные и долговечные гибкие светоизлучающие устройства, которые, несомненно, смогут заметно снизить затраты энергии на освещение в промышленности, а модификация испускаемого спектра излучения позволит использовать светодиоды даже в самых консервативных домах Лондона и Парижа.
