Кристаллографы Санкт-Петербургского государственного университета совместно с коллегами из НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ — Института химии силикатов имени И.В. Гребенщикова синтезировали и всесторонне изучили новое семейство оксоборатов. Эти соединения демонстрируют ценные нелинейно-оптические свойства и исключительную термическую стабильность, что открывает перспективы для их применения в создании приборов, работающих в экстремальных условиях: от пьезоэлектриков и люминофоров до специализированных лазеров. Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в научном журнале Inorganic Chemistry Communications.
Бораты, соли борной кислоты, традиционно привлекают внимание материаловедов благодаря структурному разнообразию и выдающимся оптическим характеристикам. Именно эти качества, прежде всего нелинейно-оптические свойства, обусловили их широкое использование в приборостроении — например, в твердотельных лазерах или в качестве стандартизирующих элементов на синхротронах.
Особый интерес представляют бораты, легированные редкоземельными элементами, которые активно изучаются как основа для новых люминофоров и термостойких материалов. Новое исследование петербургских ученых продолжает эту стратегическую линию, предлагая соединения с уникальным сочетанием характеристик.
Объектом изучения стало семейство боратов с формулой Ca₆Ln₁₂O₉(BO₃)₁₀ (где Ln = La-Gd). Их кристаллическая структура напоминает каркас с каналами, в которых расположены треугольные группы BO₃. При нагреве выше 1000 °C эта структура демонстрирует интересный переход: часть «треугольников» в каналах теряет жесткую ориентацию, переходя в частично разупорядоченное состояние.
«Главная ценность этих материалов — в сочетании настраиваемых нелинейно-оптических свойств, зависящих от выбранного редкоземельного элемента, и высокой термической стабильности. Ширину их запрещенной зоны можно довести до ультрафиолетового диапазона, при этом структура остается стабильной в интервале от отрицательных температур до примерно 1200 °С», — объяснила доцент кафедры кристаллографии СПбГУ Мария Кржижановская.
Новое семейство было обнаружено почти случайно, в ходе изучения уже известных боратов. Из промежуточной смеси продуктов синтеза ученым удалось выделить монокристалл с неописанными ранее параметрами. После определения структуры и формулы с помощью рентгеноструктурного анализа исследователи целенаправленно синтезировали серию из пяти соединений, варьируя редкоземельный элемент. Комбинация методов порошковой терморентгенографии и комплексного термического анализа позволила проследить, как именно меняется структура при нагреве, и точно определить температуры плавления.
«Все синтезированные бораты оказались нецентросимметричными, что является ключевым условием для проявления нелинейно-оптических свойств. Мы экспериментально подтвердили это, зафиксировав генерацию второй гармоники, а также сняли спектры поглощения и рассчитали ширины запрещенных зон», — добавил магистрант СПбГУ Георгий Сизов.
Выявленная стабильность в экстремально широком температурном диапазоне делает эти материалы потенциальными кандидатами для производства компонентов аналитической аппаратуры и лазерных систем. Кроме того, ученые предполагают, что «канальная» структура новых боратов может быть перспективной для проявления ионообменных свойств, что открывает дополнительные направления для дальнейших исследований.
Исследование проводилось на оборудовании ресурсных центров «Рентгенодифракционные методы исследования», «Геомодель» и «Оптические и лазерные методы исследования вещества» Научного парка СПбГУ.
Информация предоставлена пресс-службой СПбГУ
Источник фото: ru.123rf.com
