Цель заявляемого проекта заключается в разработке новых функциональных материалов с заданными параметрами на основе оксидов РЗЭ для конверсии электромагнитного излучения и развитии технологических методов их получения. Проект включает комплексное исследование спектрально-люминесцентных свойств объемных, наноструктурных и низкоразмерных модификаций оксидов лантана, гадолиния и твердых растворов на их основе, активированных ионами иттербия, эрбия, европия и другими РЗЭ. Основная задача состоит в изучении энергетической структуры, природы и гранспортных свойств элементарных возбуждений, закономерностей диссипативных явлений и механизмов эффективного преобразования энергии с учетом размерных эффектов. Значительное внимание будет уделено также исследованию особенностей дефектообразования в матричных оксидах в зависимости от условий синтеза и режимов специальной радиационно-термической обработки.

Актуальность. Оксиды редкоземельных элементов (РЗЭ) представляют собой стратегически важный класс материалов, определяющих уровень развития практически важных областей науки и техники, включая фотонику, микро-, нано- и оптоэлектронику, ядерную и альтернативную энергетику. Одним из перспективных и активно развивающихся направлений использования РЗЭ является создание новых функциональных материалов для устройств конверсии энергии. Особенности электронного строения ионов РЗЭ обеспечивают возможность реализации процессов даун- и ап-конверсии, которые могут быть использованы для преобразования излучения УФ и ИК диапазонов. Несмотря на многообещающие перспективы, главной проблемой создания РЗЭ-содержащих преобразователей на сегодняшний день является недостаточная эффективность конверсионных процессов, обусловленная присутствием в структуре материала различных примесей, неконтролируемых дефектов и микрофазовых включений, что, как следствие, определяет низкие значения энергетического и квантового выхода конверсии.В качестве наиболее распространенных методов получения оксидов РЗЭ используются гидротермальный синтез, химическое осаждение, реакция горения, золь-гель процесс. Несмотря на успехи в оптимизации технологических параметров (подбор реагентов, их концентраций, температурные режимы и времена реакций, контроль рН-величины), получение высококачественных продуктов затруднено по целому ряду причин. Среди них на первом месте стоят сложность регулирования одновременно фазового и химического состава, дефектность, нестехиометричность, размеры и агрегация частиц, необходимость дополнительных технологических обработок материала. Иными словами, при разработке новых конверсионных материалов важным фактором и необходимым условием является совершенствование технологий синтеза.С другой стороны, эффективность РЗЭ-содержащих твердотельных конвертеров излучения в значительной степени зависит от выбора донорно-акцепторных ионных пар. Многообразие дискретных энергетических уровней 4г-оболочки трехвалентных ионов РЗЭ определяет возможности процессов многофотонного поглощения, каскадной эмиссии и передачи энергии в ионных парах, что обеспечивает преобразование излучения различных спектральных областей. Вследствие низкой вероятности запрещенных по четности 4f-4f оптических переходов, а также за счет эффектов концентрационного тушения ионы РЗЭ обладают слабыми сечениями поглощения и демонстрируют низкую интенсивность свечения. Вместе с тем, имеющаяся информация о роли точечных дефектов, природе и динамике элементарных возбуждений электронной и фононной подсистем РЗЭ-содержащих структур, указывает на принципиальную возможность повышения эффективности преобразования энергии. Предполагается, что перечисленные факторы в сочетании с влиянием пониженной размерности материала смогут обеспечить в структуре разупорядоченных оксидов РЗЭ реализацию новых каналов конверсии УФ-ИК излучений с рекордной эффективностью преобразования.Таким образом, фундаментальная научная проблема заключается в отсутствии детальной и достоверной информации о дефектной структуре, электронных состояниях, закономерностях переноса энергии в системах на основе оксидов РЗЭ, что определяет, в конечном счете, возможности и перспективы реального практического применения материалов данного типа в различных сферах, в частности, как эффективных преобразователей солнечного излучения.