Korrapäratu kristallstruktuur võib parandada energiaülekannet valgustites kasutatavates materjalides

Hiljuti Rootsis MAX IV laboris tehtud mõõtmiste käigus uuris Tartu Ülikooli füüsika instituudi doktorant Muhammad Usama Jamal sünkrotronkiirguse abil esimest korda lähemalt kahe pealtnäha sarnase kaaliumterbiummolübdaadi ühendi kristalle ja tuvastas iseärasuse, mis parandab valguse kiirgumist ning võimaldaks senisest tõhusamini tekitada valgustites eredat rohelist valgust.

Kuigi uuritud ühendid (KTb(MoO4)2 ja K5Tb(MoO4)4) koosnevad samadest elementidest, on nende ainete sisemine kristallistruktuur erinev. Kaalium, terbium ja molübdeeni-hapniku kompleks moodustavad stabiilse kristallvõre, terbium annab sellele valguse kiirgumisega seotud eripära. See, milline haruldane muldmetall kristalli kuulub, võib muuta materjali optilisi omadusi ja kiirguva valguse värvi. Uuringu käigus avastati, et kristall KTb(MoO4)2 on korrapärase ehitusega, aga ühendit K5Tb(MoO4)4 iseloomustab korrapäratum kristallstruktuur.

Image

Uuringust selgus, et kristallstruktuuri ebakorrapärasus parandab nendelt materjalidelt valguse kiirgumist. Seda ennekõike tänu paranenud energiaülekandele kristalli võrelt kiirgustsentrile, mis on uuritud materjalides terbiumi ioon. Samas takistab kristalli ebakorrapära ka energiakadusid, pärssides energia ülekannet ühelt kiirgustsentrilt teisele ja lõpuks kiirguseta kustumist. Mõõtmiste käigus selguski, et korrapäratuma ehitusega K5Tb(MoO4)4 kiirgas eredamalt ja see kiirgus oli temperatuuri suhtes ka vähem tundlik. See omadus teeb materjali väga perspektiivseks fosfooriks valgusdioodides, mille töötemperatuur on toatemperatuurist märgatavalt kõrgem.

Uuringus kasutati mitut tänapäevast meetodit, sealhulgas ajalise lahutusega fotoluminestsentsi ja Ramani spektroskoopiat. Lisaks võimaldas kiirekanal FinEstBeAMS kristallide ergastamist suure energiaga footonitega, mis lubas uurida materjali tavapärasest suuremas energiaskaalas ja avastada, et korrastatud ja korratumates materjalides liigub energia erinevalt.

Jamali sõnul näitas töö, et materjali sisemine struktuur ja selle kiirgusomadused on omavahel tihedalt seotud. Mõnikord ei olegi täiuslik korrastatus kõige parem – natuke korratust võib viia paremate ja tõhusamate materjaliteaduslike lahendusteni.

Teadustöö tulemusi kirjeldav artikkel „Crystal structure controlled energy transfer to Tb3+ in KTb(MoO4)2 and K5Tb(MoO4)4 crystals“ ilmus ajakirjas Materials Research Bulletin.

FinEstBeAMS annab Eesti teadlastele juurdepääsu MAX IV laborile

FinEstBeAMS rajati esimese rahvusvahelise kiirekanalina Tartu Ülikooli ja Soome ülikoolide koostöös MAX IV laborisse, mis asub Lundis Rootsis. Tegemist on Eesti teadustaristu teekaardi objektiga, mille juhtpartner on Tartu Ülikool. FinEstBeaAMS katab energiapiirkonna, mis on sobiv inimsilmale läbipaistvate laia keelutsooniga materjalide optiliste ja elektroonsete omaduste uurimiseks. Veelgi tähtsam on see, et Eesti ja Soome rahastusega ehitatud kiirekanali investeering annab Eesti teadlastele eelisjuurdepääsu kõigile MAX IV labori 16 kiirekanalile.

Tartu Ülikooli eksperimentaalfüüsika professor ja kiirekanali projekti esindaja Eestis Marco Kirm julgustab Eesti teadlasi ja doktorante taotlema mõõtmisaega MAX IV laboris, et rakendada nende kiirekanalite tipptasemel uurimismeetodeid oma teadustöös ja olla maailma teadus-arendustegevuses konkurentsivõimelisem.