Кристаллы-экстремалы
Петербургские ученые создали идеальный материал для оптики
Кристаллографы Санкт-Петербургского государственного университета совместно с коллегами из НИЦ «Курчатовский институт», ПИЯФ и Института химии силикатов им. И. В. Гребенщикова синтезировали и всесторонне изучили новое семейство оксоборатов. Эти соединения демонстрируют ценные нелинейно-оптические (НЛО) 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.
Фото: СПБГУ
Фото: СПБГУ
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.
Ранее кристаллографы СПбГУ открыли первый минерал аммония в метеоритах. Исследование образца космического объекта Orgueil (CI), который упал рядом с французской деревней Оргей в 1864 году, поможет лучше понять возможные источники происхождения жизни на Земле.
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 перспективными кандидатами для производства компонентов аналитической аппаратуры и лазерных систем. Кроме того, ученые предполагают, что «канальная» структура новых боратов может быть перспективной для проявления ионно-обменных 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.