Российские ученые совместно с итальянскими коллегами синтезировали новые комплексы диспрозия — химического элемента из семейства лантаноидов, — которые способны светиться при облучении. Химики выяснили, что улучшить люминесцентные характеристики этих соединений можно, заменив в их составе молекулы обычной воды на молекулы «тяжелой», а также часть атомов диспрозия на их нелюминесцирующий аналог. Это позволило в два раза увеличить люминесценцию комплексов, а также управлять цветом их свечения. Разработанные подходы могут использоваться для получения материалов для квантовой электроники, оптики и энергосберегающих технологий. Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда, результаты опубликованы в журнале Dyes and Pigments. 

Лантаноиды — особое семейство химических элементов, представители которого обладают уникальными оптическими и магнитными свойствами. Например, многие лантаноидные соединения способны люминесцировать, то есть светиться в ответ на облучение. Поэтому их можно использовать при создании сенсорных материалов, источников белого света и других устройств.

В новой работе ученые из Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (Москва), МГУ имени М.В. Ломоносова (Москва), Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана (Москва) и Университета Камерино (Италия) исследовали люминесценцию комплексов лантаноида диспрозия со сложным органическим лигандом из класса гетероциклических дикетонов. Такие соединения хорошо преобразовывают падающее излучение в собственное с другой длиной волны. Это обеспечивается тем, что органический лиганд выполняет роль антенны — он поглощает внешнее излучение, передавая его на лантаноид, который, в свою очередь, излучает собственный свет.

Существенный недостаток комплексов лантаноидов, как и многих других светящихся соединений, заключается в том, что в них происходит частичное тушение люминесценции. Этот процесс связан с тем, что молекула, приняв на себя электрон при облучении, должна «сбросить» с себя излишек энергии. Это может происходить двумя способами: или благодаря испусканию кванта света, то есть люминесценции, или путем превращения избытка энергии в тепло. Во втором случае излучения не происходит, и поэтому такой процесс называют тушением люминесценции. Существует множество приемов, помогающих уменьшить тушение, но до настоящего времени очень мало исследовалось, как они действуют при совместном применении.

Ученые синтезировали комплексы диспрозия, в которых этот химический элемент частично заменили на другой лантаноид — гадолиний, — который не способен светиться. Кроме того, физики предположили, что улучшить свойства соединения можно, заменив обычную воду в его составе на «тяжелую» (D2O), в которой место атома водорода занимает дейтерий. 

Оказалось, что после замены молекул обычной воды на «тяжелую» люминесценция затухала втрое медленнее и была в два раза ярче. Как предполагают авторы, это связано с отсутствием связей О-Н в тяжелой воде, где аналогичные связи O-D в меньшей степени рассеивают энергию в виде тепла. У соединений, где часть диспрозия заменили на гадолиний, также уменьшилась скорость затухания люминесценции, а влияние на яркость оказалось более сложным: слишком большая примесь гадолиния приводила к снижению эффективности свечения.

Кроме того, предложенные подходы позволили управлять цветом люминесценции. Так, при добавлении гадолиния спектр свечения с желто-зеленого изменялся на белый, близкий к дневному свету.

«Предложенные нами подходы помогут при разработке новых источников белого света, в частности органических светоизлучающих светодиодов. В дальнейшем мы планируем провести подобные эксперименты и с другими лантаноидами», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Илья Тайдаков, доктор химических наук, руководитель группы «Молекулярная спектроскопия люминесцентных материалов» ФИАН.