В полнотекстовой базе данных ScienceDirect – ведущей информационной платформе Elsevier, вышла научная статья «Кинетическая характеризация наночастиц CeF3-YF3-TbF3 для создания температурных сенсоров на основе анализа времен затухания люминесценции» под авторством экспертов Казанского федерального университета.

Над публикацией работали старший научный сотрудник НИЛ магнитной радиоспектроскопии и квантовой электроники им. С.А. Альтшулера Института физики Максим Пудовкин, доцент кафедры квантовой электроники и радиоспектроскопии института Алексей Низамутдинов и младший научный сотрудник НИЛ «Баланс С» Института экологии, биотехнологии и природопользования КФУ Светлана Калиниченко.

«Работа посвящена синтезу и исследованию неорганических люминофоров определенного состава (CeF3-YF3-TbF3) для такого метода, как люминесцентная термометрия. Данная методика позволяет проводить измерения температуры очень маленьких объектов в несколько микрометров, например транзисторов и иных микроустройств в современных микросхемах, что важно для мониторинга их стабильности, а также биологических объектов, например клеток эукариот», – рассказал Пудовкин.

Традиционные методы с использованием ртутных термометров или термопар, по его словам, неэффективны. Информацию о температуре в локальной области может дать сигнал люминесценции наночастицы, размер которой намного меньше исследуемого объекта.

«Таким образом, люминесцентная термометрия – это новый метод детектирования термодинамических параметров микросистем, что актуально для современной микроэлектроники, космической промышленности, биомедицины и тераностики», – объяснил физик.

Усилие мирового научного сообщества, как отмечает М. Пудовкин, направлено на повышение температурной чувствительности параметров люминесценции люминофоров. Он также добавил, что существует множество физических процессов, лежащих в основе этой температурной чувствительности, включая всем известное явление расширения тел при нагревании.

«В нашей области материаловедения основной механизм заключается в наличии ионов-активаторов в неорганической матрице. Соотношение между населенностями электронных уровней иона в некоторых случаях зависит от температуры, и именно это соотношение во многом определяет спектральные характеристики люминофора», – подчеркнул собеседник.

При изменении этого соотношения с температурой меняется и форма спектра – цвет свечения и время его затухания. Данный класс материалов имеет ограниченную температурную чувствительность.

«Мы предлагаем немного иной подход. А именно использование двух ионов активаторов: Ce3+ – донора, Tb3+ – акцептора. Наша работа заключается в исследовании механизмов температурной чувствительности спектрально-кинетических характеристик данных люминофоров. Было показано, что полученные материалы обладают очень конкурентными значениями чувствительности», – сообщил физик.

Механизм такой чувствительности включает в себя обмен энергией между ионами-активаторами, температурное тушение люминесценции, многофононные процессы и процессы кросс-релаксации. Кроме того, ученые КФУ выявили, что существует возможность управлять вкладом каждого процесса за счет изменения концентрации иона акцептора. Таким образом можно определить оптимальную концентрацию ионов для оптимизации характеристик.

«Полученные люминофоры имеют размер около 19 нанометров и высокие значения температурной чувствительности в диапазоне от 0 до 200 градусов, что делает их очень перспективными для мониторинга температуры микроустройств. Также за счет эффективной передачи энергии от ионов церия к ионам тербия, полученные материалы могут быть применены для биовизуализации и фотодинамической терапии в присутствии терапевтических доз ионизирующего излучения», – отметил автор научной статьи.

В дальнейшем ученая группа Казанского университета планирует исследование ионной пары Ce3+ и Tb3+ в неорганических матрицах, в которых другие свойства кристаллической решетки и симметрия.

«Также начинаем работать совместно с теоретиками для создания математической модели, описывающий физические процессы в твердом теле на основе полученных данных, что важно для поиска новых материалов и предсказывания их свойств», – заключил Пудовкин.