КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 21-73-10108

НазваниеФундаментальные и прикладные исследования новой нанокристаллической керамики на основе твердых растворов кубической и ромбической фаз галогенидов серебра и таллия (I), высокопрозрачной в терагерцовом, видимом и инфракрасном спектральном диапазонах, устойчивой к ионизирующим излучениям для фотоники, лазерной и волоконной оптики

РуководительСалимгареев Дмитрий Дарисович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", Свердловская обл

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2021 - 06.2024 

КонкурсКонкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов

Ключевые словананокристаллическая керамика, твердые растворы, галогениды серебра и таллия (I), одновалентный таллий, высокопрозрачная оптика, терагерцовый диапазон, инфракрасный диапазон, видимый диапазон, инфракрасные световоды

Код ГРНТИ81.37.09


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Для развития лазерной физики, волоконной оптики и фотоники в среднем (2-25 мкм), дальнем (25-100 мкм) инфракрасных диапазонах, а также в терагерцевом частотном (0,1 – 10,0 ТГц) и миллиметровом диапазонах (до 3 мм), которые являются малоосвоенными вследствие недостатка элементной базы, необходимы высокопрозрачные, функциональные материалы, способные пропускать оптическое излучение в широком спектральном диапазоне без окон поглощения, при этом негигроскопичные и способные сохранять свои свойства на открытом воздухе и в более «жестких» условиях ионизирующих излучений. Создание таких материалов, способных сочетать в себе различные функциональные свойства, является актуальной задачей, требующей фундаментальных и прикладных исследований в области влияния структуры и компонентного состава материалов на функциональные свойства. В связи с этим в России и мире активно ведутся поиск и разработка новых материалов, охватывающих широкий спектральный диапазон и обладающих широким набором физических свойств. Оптическая нанокристаллическая керамика является одним из перспективных материалов в области разработки новых функциональных материалов. Высокая степень уплотнения и отсутствия роста нанозерен (ромбическая фаза) приводят к малому рассеиванию на границах зерен и порах, в результате чего достигается высокая прозрачность 65 – 75 % в инфракрасном диапазоне от 0,5 до 47,0– 65,0 мкм в зависимости от состава кубической фазы в широком окне оптического пропускания. Особое внимание привлекают нанокерамики на основе твердых растворов AgHal – TlHal благодаря высокой радиационной стойкости, которая растет с увеличением содержания галогенидов одновалентного таллия. Кроме того, эти материалы прозрачны в терагерцовом и миллиметровом диапазонах, что еще больше расширяет возможности их применений [L. Zhukova, D. Salimgareev, A. Korsakov, N. Yudin, G. Komandin, I. Spektor, A. Lvov, A. Yuzhakova. The optical transparency investigation of crystals based on the AgHal – TlHal solid solutions systems in the terahertz range. Optical Materials. Vol. 113, P. 110870]. Данные материалы обладают низким коэффициентом поглощения от 10^-5 до 10^-3 см^-1 и оптическими потерями 0,1 – 0,5 дБ/м (в волокнах). Из них возможно получение высокопрозрачной в видимом, инфракрасном, терагерцовом и миллиметровом диапазонах гетерофазной керамики на основе нескольких систем, соединяющих различные кристаллические фазы двух и более твердых растворов регулируемого состава, обладающих различными физико-химическими свойствами. Использование сложного состава таких композитных сред позволяет сочетать в одном материале несколько функциональных свойств, например, высокую прозрачность в широком диапазоне с технологичностью обработки. Для разработки таких материалов необходимо проводить термодинамические исследования диаграмм плавкости, определять гомогенные и гетерогенные области существования твердых растворов при комнатных температурах, на основе которых формируется структура кристаллов и керамики. При этом необходимо обеспечить экологическую чистоту и безотходность разрабатываемых комплексных технологий. Керамика на основе твердых растворов систем TlBr0.46I0.54 – AgI, TlCl0.7Br0.3 – AgI; AgСl – Ag0,85Tl0,15Br0,92I0,08; AgСl – Ag0,85Tl0,15Br0,85I0,15 является перспективным материалом, который способен обеспечить все необходимые функциональные свойства, поскольку она прозрачна в широком спектральном диапазоне, с малыми оптическими потерями и высокими фотостойкостью, пластичностью и гибкостью, технологичностью изготовления. Это делает керамику уникальным материалом, востребованными для лазерной физики, инфракрасной и терагерцовой оптики, а также фотоники и оптоэлектроники. Для проведения фундаментальных исследований свойств керамики будет произведено термодинамическое исследование и построение представленных выше диаграмм плавкости твердых растворов галогенидов серебра и одновалентного таллия, установлено влияние пошагового увеличения AgCl и AgI в прочих твердых растворах на формирование их электронной структуры и оптических свойств. Комплексный подход к изучению свойств новых систем позволяет охватить широкий спектр исследований от синтеза высокочистой шихты и построения фазовых диаграмм до получения как фундаментальной информации о новой материальной базе, так и новых оптических изделий таких как пластинки, окна, световоды на основе керамики, а также изучения их свойств.

Ожидаемые результаты
В рамках проекта будет проведен синтез твердых растворов на основе систем TlBr0.46I0.54 – AgI, TlCl0.7Br0.3 – AgI; AgСl – Ag0,85Tl0,15Br0,92I0,08; AgСl – Ag0,85Tl0,15Br0,85I0,15. Будут проведены исследования диаграммы плавкости указанных выше систем. На основе полученных диаграмм плавкости разрабатывается технология, включающая производство высокочистого сырья, получение керамики и изготовление на ее основе оптических изделий методом горячего прессования, а методом экструзии – инфракрасных световодов. Для всех полученных материалов будет проведено комплексное исследование оптических, механических, электрических и теплофизических свойств. Полученные результаты станут основой для проектирования и создания различных оптических и оптико-электронных компонентов, работающих в широком спектральном диапазоне. Практическое использование разработанных материалов и оптических изделий на их основе, в том числе световодов, перспективно для лазерной физики, энергетики, волоконной оптики и фотоники, оптоэлектроники, а также различных применений в спектроскопии, оптическом приборостроении, оптических датчиках широкого спектра действия от волоконных термометров до эндоскопов. Ожидаемые результаты по итогам выполнения проекта: 1. Будут исследованы диаграммы плавкости систем TlBr0.46I0.54 – AgI, TlCl0.7Br0.3 – AgI; AgСl – Ag0,85Tl0,15Br0,92I0,08; AgСl – Ag0,85Tl0,15Br0,85I0,15. Выявлены возможные концентрационные диапазоны синтеза материалов для получения оптической керамики различных составов. 2. Будут подобраны технологические режимы для синтеза сырья различного состава гидрохимическим методом термозонной кристаллизации-синтеза (ТЗКС). В процессе синтеза исходного сырья гидрохимическим методом на каждой технологической стадии процесса будет проведен контроль качества полученного материала гравиметрическим методом, рентгенофлуоресцентным, спектральным и рентгенофазовым анализами. Подобраны температурные режимы и с помощью метода направленной кристаллизации из полученного сырья изготовлена оптическая керамика систем TlBr0.46I0.54 – AgI, TlCl0.7Br0.3 – AgI; AgСl – Ag0,85Tl0,15Br0,92I0,08; AgСl – Ag0,85Tl0,15Br0,85I0,15. 3. Будут определены функциональные свойства полученной керамики. Измерены оптические свойства: спектральное пропускание и дисперсия показателя преломления в широком диапазоне длин волн. Выявлена зависимость изменения оптических свойств от вибрации материала. Будет изучена фотостабильность материала. 4. Будет проведена симуляция прозрачной в широком спектральном диапазоне керамики и оптических изделий на ее основе, которая заключается в моделировании ключевых параметров пропускания и преобразования проходящего излучения, а именно оптического рассеяния, модового анализа, распространения электромагнитных волн с течением времени в непрерывном и импульсном режиме. Моделирование по методам конечных элементов (FEM) позволяет выполнять симуляцию данных параметров с высокой точностью в широком диапазоне длин волн. Проведенное моделирование оптической керамики является важным этапом разработки оптических изделий и устройств на ее основе, поскольку позволяет оптимизировать производство, спрогнозировать свойства и снизить материальные и временные затраты.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
На первом и втором этапе проведено исследование фазовой диаграммы системы TlBr0,46I0,54 – AgI. По результатам дифференциально-термического (ДТА) и рентгенофазового (РФА) анализов изучена и построена фазовая диаграмма во всем концентрационном диапазоне. Анализ диаграммы показал наличие однородной области от 0 до 43 мол. % AgI в TlBr0,46I0,54, в которой можно получить монокристаллы и оптическую керамику. Проведен анализ гетерогенных областей при содержании AgI в TlBr0,46I0,54 от 43 до 100 мол. %. В оптической керамике, по сравнению с монокристаллами, одновременно существуют две кристаллические фазы, матрицей которой является кубическая структура Pm3m, а легирующей – фаза R-3, имеющая основу химического соединения Tl2AgI3. Максимальный размер зерна легирующей фазы составляет 93 – 95 нм (по результатам сканирующей электронной микроскопии (СЭМ)). Существование и тип фаз системы TlBr0,46I0,54 – AgI, а также основа фазы R-3, подтверждены РФА. Определены зависимости параметров решетки и массовой доли фаз на основе TlBr0,46I0,54, AgI и Tl2AgI3 от состава системы TlBr0,46I0,54 – AgI. Далее было проведено исследование оптических свойств кристаллов системы AgBr – AgI, что важно для апробации методик исследования свойств и понимания границ областей гомогенности твердых растворов изотермического сечения AgBr – AgI – TlI – TlBr концентрационного тетраэдра Ag – Tl – Br – I. Исследованы оптические свойства кристаллов системы AgBr – AgI при содержании от 0 до 36 мол. % AgI в AgBr. Определены показатели преломления на коротковолновом краю поглощения кристалла и составили 2,441 ± 0,002 – 2,505 ± 0,002 с увеличением доли AgI в AgBr. Показатели преломления в ИК составили от 2,167 ± 0,008 – 2,208 ± 0,008 (при длине волны 3 мкм) до 2,165 ± 0,007 – 2,197 ± 0,008 (при длине волны 14 мкм). Определены мнимые части показателей преломления, которые изменяются в зависимости от состава от 0,60 ∙ 10-4 – 2,22 ∙ 10-4 (при 3 мкм) до 1,33 ∙ 10-4 – 7,76 ∙ 10-4 (при 14 мкм). Подтверждена высокая фотостабильность полученных материалов. На основании данных, полученных по диаграмме системы TlBr0,46I0,54 – AgI, построены концентрационные области на изотермическом сечении AgBr – AgI – TlBr – TlI, где возможно синтезировать монокристаллы и/или оптическую керамику на основе твердых растворов галогенидов серебра и таллия (I). Изотермическое сечение является основой для дальнейшего исследования пятикомпонентного полиэдра Ag – Tl – Cl – Br – I. Изучение концентрационных диапазонов в данном полиэдре началось с фазовой диаграммы системы TlCl0.74Br0.26 – AgI. Были обнаружены области составов, где возможно синтезировать монокристаллы и оптическую керамику. Установлено, что в концентрационном диапазоне от 0 до 4 мол. % AgI в TlCl0.74Br0.26 возможно выращивать монокристаллы структурного типа Pm3m. При увеличении мольной доли от 4 до 34 мол. % AgI в TlCl0.74Br0.26 при изменении условий синтеза можно получить как монокристаллы, так и оптическую керамику. Последняя сочетает в себе две кристаллические фазы, где основой является кубическая - Pm3m, а легирующей – R-3. Определено, что легирующая фаза R-3 имеет основу химического соединения Tl2AgBr3 (подтверждено РФА) с максимальным размером зерен 89 – 94 нм. Все составы и типы фаз системы TlCl0.74Br0.26 – AgI подтверждены РФА. На третьем и четвертом этапах, были подобраны режимы синтеза высокочистой шихты и выращивания монокристаллов/оптической керамики на основе систем TlCl0.74Br0.26 – AgI и TlCl0.74Br0.26 – AgI. По методу термозонной кристаллизации синтеза была получена шихта составов 6, 13, 19, 25 мол. % AgI в TlBr0,46I0,54 и 7, 14, 20, 27 мол. % AgI в TlCl0,74Br0,26. Далее, в печи конструкции Бриджмена были синтезированы монокристаллы и оптическая керамика. Для системы TlBr0,46I0,54 – AgI выращены два состава монокристаллов 6, 13 мол. % AgI в TlBr0,46I0,54, а также два состава оптической керамики 19 и 25 мол. % AgI в TlBr0,46I0,54. Для системы TlCl0,74Br0,26 – AgI синтезированы четыре состава оптической керамики 7, 14, 20 и 27 мол. % AgI в TlCl0,74Br0,26. Все составы подтверждались РФА. По методу горячего прессования были изготовлены поликристаллические пластины толщиной 300 ± 5 мкм, диаметром 15 ± 5 мм. На пятом этапе работ проведено исследование функциональных свойств кристаллов и керамики систем TlBr0,46I0,54 – AgI и TlCl0,74Br0,26 – AgI. Установлено, что монокристаллы составов 6 и 13 мол. % AgI в TlBr0,46I0,54 прозрачны в диапазоне длин волн от 0,49 до 55,0 – 60,0 мкм. Оптическая керамика 19 и 25 мол. % AgI в TlBr0,46I0,54 пропускает от 0,50 до до 55,0 – 60,0 мкм. Для оптической керамики системы TlCl0,74Br0,26 – AgI составов 7, 14, 20 и 27 мол. % AgI в TlCl0,74Br0,26 диапазон спектрального пропускания находится в пределах длин волн от 0,44 до 47,0 – 49,0 мкм. Коротковолновый край поглощения в системе TlBr0,46I0,54 – AgI с увеличением концентрации иодида серебра в твердом растворе TlCl0.74Br0.26 увеличивается с 494 мкм до 544 мкм. Аналогичная зависимость наблюдается и для системы TlCl0,74Br0,26 – AgI, где коротковолновый край поглощения смещается от 398 до 448 нм. Показатели преломления на длине волны коротковолнового края поглощения лежат в диапазоне от 2,478 ± 0,002 до 2,539 ± 0,002 для системы TlBr0,46I0,54 – AgI и от 2.348 ± 0.002 до 2.419 ± 0.002 для системы TlCl0,74Br0,26 – AgI. Далее, по полученным спектрам пропускания были рассчитаны значения показателей преломления в диапазоне длин волн от 3 до 14 мкм. Для системы TlBr0,46I0,54 – AgI показатели преломления в зависимости от состава лежат в диапазоне от 2,274 ± 0,009 – 2,389 ± 0,009 (на длине волны 3 мкм) до 2,203 ± 0,009 – 2,361 ± 0,008 (на длине волны 14 мкм). Аналогично, для оптической керамики системы TlCl0,74Br0,26 – AgI показатели преломления изменяются от 2,208 ± 0,009 – 2,305 ± 0,008 (при 3 мкм) до 2,173 ± 0,009 – 2,236 ± 0,009 (при 14 мкм). Исследована фото- и радиационная стойкость всех синтезированных составов. Установлено, что монокристаллы и оптическая керамика обеих систем TlBr0,46I0,54 – AgI и TlCl0,74Br0,26 – AgI обладают высокой фотостойкостью при длинах волн более 10 мкм, где снижение пропускания достигает 15 %. На длинах волн до 10 мкм, снижение пропускания достигает 65 % (при 1,67 мкм), при аналогичных режимах и времени облучения. По результатам исследования радиационной стойкости обнаружено, что исследуемые образцы сохраняют высокую прозрачность при суммарной дозе до 1 МГр, максимальное снижение пропускания составило 15 %. Для некоторых образцов наблюдалось увеличение уровня пропускания на 2 – 3 %. Было зарегистрировано пропускание всех образцов в терагрецовом диапазоне. Максимальная прозрачность исследуемых образцов составляет в ТГц области от 0,3 до 0,88 ТГц (длины волн 340 – 1000 мкм). Образцы на основе твердых растворов TlBr0,46I0,54 – AgI прозрачны в диапазоне от 480 до 1000 мкм. Уровень пропускания достигает 40 %, и с введением AgI в TlBr0,46I0,54 наблюдается смещение левой границы спектра пропускания в область более коротких длин волн. В образцах на основе твердых растворов TlCl0,74Br0,26 – AgI для всех составов наблюдается высокая прозрачность в ТГц области со сдвигом левой границы в область более длинных волн. Полученные результаты открывают широкие возможности применения оптических изделий (линзы, окна и световоды) на основе разработанных монокристаллов и оптической керамики. Для формирования научного задела на второй и третий годы проекта, проведены эксперименты по созданию центров люминесценции в галогенидсеребряных средах редкоземельными элементами, такими как неодим, иттербий и диспрозий. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что введение в AgCl0,25Br0,75 указанных частиц в количестве 0,5 мас. % не снижает уровень пропускания в ИК-области, при этом сохраняются люминесцентные свойства. В результате исследований в отчетном периоде было опубликовано 9 работ, из которых 2 статьи в журналах Q1, индексируемых в Web of Science и Scopus. Оформлена 1 заявка и получено 4 Патента РФ.

 

Публикации

1. - 16 проектов под руководством молодых ученых получили гранты РНФ Портал Уральского федерального университета имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, Дата публикации 06 июля 2021 года (год публикации - ).

2. - Наука — это захватывающе интересно! Газета Уральского федерального университета, № 29 от 20 декабря 2021 года (год публикации - ).

3. Жукова Л. В., Салимгареев Д. Д., Львов А. Е., Лашова А. А. Способ получения высокопрочной кристаллической керамики на основе двух твердых растворов системы AgBr-TIBr0.46I0.54 (варианты) -, 2 758 552 (год публикации - ).

4. Жукова Л. В., Салимгареев Д. Д., Юдин Н. Н., Корсаков А. С., Дорожкин К. В., Подзывалов С. Н. Терагерцовый кристалл -, 2756581 (год публикации - ).

5. Жукова Л. В., Салимгареев Д. Д., Южакова А. А., Львов А. Е., Корсаков А. С. Терагерцевый кристалл -, 2756582 (год публикации - ).

6. Жукова Л. В., Салимгареев Д. Д., Южакова А. А., Львов А. Е., Корсаков А. С., Белоусов Д. А., Кондрашин В. М., Шардаков Н. Т. Терагерцовая радиационно стойкая нанокерамика -, 2021115666 (год публикации - ).

7. Жукова Л.В., Салимгареев Д.Д., Львов А.Е., Южакова А.А., Корсаков А.С., Белоусов Д.А. ОПТИЧЕСКАЯ ПРОЗРАЧНОСТЬ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ СИСТЕМ AGHAL - TLHAL В ТЕРАГЕРЦОВОМ ДИАПАЗОНЕ ФОТОН-ЭКСПРЕСС, 6 (174), с. 83-84 (год публикации - 2021).

8. Кондрашин В.М., Корсаков А.С., Салимгареев Д.Д., Львов А.Е., Тураби А., Шатунова Д.В., Жукова Л.В. Разработка лазерной установки для определения показателя преломления в ИК диапазоне Лазерно-информационные технологии: труды XXIX Международной научной конференции (13 – 18 сентября 2021 г.) /, c. 142-144 (год публикации - 2021).

9. Кондрашин В.М., Львов А.Е., Салимгареев Д.Д., Южакова А.А., Жукова Л.В. Научно-прикладной модифицированный метод термозонной кристаллизации синтеза высокочистых твердых растворов различного состава Лазерно-информационные технологии: труды XXIX Международной научной конференции (13 – 18 сентября 2021 г.), с. 133-135 (год публикации - 2021).

10. Корсакова Е.А., Лисенков В.В., Жукова Л.В., Орлов А.Н., Корсаков А.С., Осипов В.В., Львов А.Е., Платонов В.В., Салимгареев Д.Д. Creating nanoscale luminescence centres in silver halides suitable for infrared application Journal of Physics: Conference Series, 2021 J. Phys.: Conf. Ser. 2064 012100 (год публикации - 2021).

11. Львов А.Е., Белоусов Д.А., Салимгареев Д.Д., Жукова Л.В., Шмыгалев А.С. Введение оксидов редкоземельных элементов в матрицу галогенидов серебра Лазерно-информационные технологии: труды XXIX Международной научной конференции (13 – 18 сентября 2021 г.), с. 129-131 (год публикации - 2021).

12. Львов А.Е., Белоусов Д.А., Салимгареев Д.Д., Жукова Л.В., Южакова А.А., Шатунова Д.В. Оптические монокристаллы и нанокристаллическая керамика на основе системы AgBr – AgI – TlI Лазерно-информационные технологии: труды XXIX Международной научной конференции (13 – 18 сентября 2021 г.), с. 131-133 (год публикации - 2021).

13. Салимгареев Д. Д., Лашова А. А., Жукова Л. В., Львов А. Е. Способ получения высокопрочной кристаллической керамики на основе двух твердых растворов системы AgBr-TII (варианты) -, 2 762 966 (год публикации - ).

14. Салимгареев Д.Д., Львов А.Е., Жукова Л.В., Белоусов Д.А., Южакова А.А., Шатунова Д.В., Корсаков А.С., Ищенко А.В. Optical properties of the AgBr – AgI system crystals Optics and Laser Technology, Том 149, Номер статьи 107825 (год публикации - 2022).

15. Салимгареев Д.Д., Львов А.Е., Жукова Л.В., Южакова А.А., Корсаков М.С., Корсакова Е.А. Исследование фазовой диаграммы системы AgI – TlBr0,46I0,54 Лазерно-информационные технологии: труды XXIX Международной научной конференции (13 – 18 сентября 2021 г.), c. 137-138 (год публикации - 2021).

16. Салимгареев Д.Д., Львов А.Е., Южакова А.А., Шатунова Д. В., Белоусов Д. А., Корсаков А. С., Жукова Л. В. Investigation of the TlBr0.46I0.54 – AgI phase diagram within the AgBr – AgI – TlBr – TlI system for optical materials synthesis Optical Materials, Том 125, Номер статьи 112124 (год публикации - 2022).