В Евразийском национальном университете имени Л.Н. Гумилева состоится защита диссертации на соискание степени доктора философии (PhD) Нурпеисова Айбека Сенбековича на тему «Люминесценция и электронно-дырочные центры захвата в фосфатах и сульфатах щелочноземельных металлов активированные примесями 〖Mn〗^(2+),〖 Tb〗^(3+) и 〖Bi〗^(3+)» по образовательной программе «8D05323 – Техническая физика».
Диссертация выполнена на кафедре «Техническая физика» института физико-технических наук, в научной лаборатории «Энергетики и функциональных материалов» Евразийского национального университета им. Л.Н. Гумилева, в ENULab и было выполнено в лаборатории Института химии Вильнюсского университета, г. Вильнюс, Литва.
Язык защиты - на русском
Официальные рецензенты:
Яр-Мухамедова Гульмира Шарифовна – доктор физико-математических наук, профессор, кафедра «Физики твердого тела и нелинейной физики» Казахского Национального университета имени аль-Фараби, г. Алматы, Республика Казахстан;
Бекешев Амирбек Зарлыкович – кандидат физико-математических наук, ассоциированный профессор кафедры «Физики» Актюбинского регионального государственного университета имени К. Жубанова, г. Актобе, Республика Казахстан.
Временные члены Диссертационного совета:
Ердыбаева Назгуль Кадырбековна – доктор физико-математических наук, профессор Восточно-Казахстанского технического университета имени Д. Серикбаева, Усть-Каменегорск, Республика Казахстан;
Баратова Алия Амирхановна – доктор философии (PhD), ассоциированный профессор кафедры «ЯФНМиТ», ЕНУ им. Л.Н. Гумилева, г. Астана, Республика Казахстан;
Боргеков Дарын Боранбаевич – доктор философии (PhD), заместитель директора Астанинского филиала РГП на ПХВ «Институт ядерной физики» МЭ РК, г. Астана, Республика Казахстан.
Научные консультанты:
Нурахметов Турлыбек Нурахметович – д.ф.-м.н., профессор кафедры Технической физики ЕНУ имени Л.Н. Гумилева, г. Астана, Республика Казахстан;
Карейвас Айварас – д.ф-х.н., декан факультета химии и наук о Земле, профессор кафедры неорганической химии Вильнюсского университета, г. Вильнюс, Литва.
Защита состоится: 19 декабря 2025 года 14:00 часов в Диссертационном совете по направлению подготовки кадров «8D053 – Физические и химические науки» по образовательной программе «8D05323 – Техническая физика» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева. Заседание Диссертационного совета будет проходит в гибридном формате (онлайн и оффлайн).
Ссылка: https://share.kz/gbGR
Адрес: г. Астана, ул. Кажымукана, 13, учебный корпус №3, аудитория №310.
Аннотация (рус.): Актуальность данной диссертационной работы связана с исследованием процессов накопления энергии внешнего оптического воздействия в фосфатах и сульфатах, проявляющихся в виде образования комбинированных электронно-излучательных состояний, состоящих из собственных и примесных электронно-дырочных центров захвата. В последующем эта энергия передается от матрицы к излучателям. Во многих функциональных люминофорах энергия накапливается на центрах захвата, которые являются трансформатором для преобразования высокоэнергетических электромагнитных излучений к низкоэнергетической видимой люминисценцию. Ортофосфаты и гранаты, допированные редкоземельными и переходными ионами, привлекают значительное внимание исследователей благодаря их применению в фотонных и оптоэлектронных устройствах. Белые светодиоды, использующиеся в люминофорах, являются основным источником освещения в твердотельной оптоэлектронике. Фосфаты, с различными кристаллическими структурами, рассматриваются как перспективные кандидаты в качестве люминесцентных матриц. В данной диссертационной работе исследуются механизмы создания комбинированных электронно-излучательных состояний, состоящих из собственных и примесных центров захвата в люминофорах 〖Ca〗_2 P_2 O_7-Mn, 〖Ca〗_3 〖(PO〗_4 )_2-Mn, 〖Ca〗_2 P_2 O_7-Tb и 〖BaSO〗_4-Bi, а также механизмы передачи энергии от матрицы к примесям 〖Mn〗^(2+), 〖Tb〗^(3+) и 〖Bi〗^(3+). Целью диссертационной работы является исследование формирования комбинированных электронно-излучательных состояний и их механизмов поэтапного распада в виде рекомбинационных излучений с последующей передачей энергии к излучателям в люминофорах 〖Ca〗_2 P_2 O_7-Mn, 〖Ca〗_2 P_2 O_7-Tb, 〖Ca〗_3 〖(PO〗_4 )_2-Mn и 〖BaSO〗_4-Bi. Задачи исследования: 1. Исследование природы наведенного рекомбинационного излучения в фосфатах 〖Ca〗_2 P_2 O_7 и 〖Ca〗_3 〖(PO〗_4 )_2 активированных ионами 〖Mn〗^(2+) и 〖Tb〗^(3+). 2. Изучение природы рекомбинационных излучений в фосфатах 〖Ca〗_2 P_2 O_7-Mn, 〖Ca〗_2 P_2 O_7-Tb и 〖Ca〗_3 〖(PO〗_4 )_2-Mn. 3. Исследование механизмов создания электронно-дырочных центров захвата в 〖Ca〗_2 P_2 O_7-Mn, 〖Ca〗_2 P_2 O_7-Tb и 〖Ca〗_3 〖(PO〗_4 )_2-Mn. 4. Изучение механизмов создания комбинированных электронно-излучательных состояний в люминофорах 〖BaSO〗_4-Bi и 〖Ca〗_2 P_2 O_7-Mn. 5. Исследование распада комбинированных электронно-излучательных состояний в широкой температурной области в фосфатах и сульфатах активированные примесями 〖Mn〗^(2+),〖Bi〗^(3+) и 〖Tb〗^(3+). Объектами исследования. Объектами исследования являются особо чистые порошки фосфатов и сульфатов щелочноземельных металлов активированные переходными и редкоземельными ионами 〖Mn〗^(2+), 〖Tb〗^(3+) и 〖Bi〗^(3+): 〖Ca〗_2 P_2 O_7-Mn, 〖Ca〗_2 P_2 O_7-Tb, 〖Ca〗_3 〖(PO〗_4 )_2-Mn и 〖BaSO〗_4-Bi. Методы исследования. Кристалличность и фазовая чистота синтезированных порошков оценивалась методом рентгеноструктурного анализа, а морфологические особенности образцов были детально исследованы с использованием сканирующего электронного микроскопа. Исследования спектров излучения и возбуждения проводилось с использованием оптической и термоактивационной спектроскопии в широком температурном диапазоне от 15 К до 300 К, в котором формируются свободные электронно-дырочные пары. Предмет исследования-изучение собственного и примесного рекомбинационного излучения, механизмы создания собственных и примесных электронно-дырочных центров захвата. Изучение механизма создания комбинированных электронно-излучательных состояний состоящих из собственных и примесных центров захвата, а также механизмы распада комбинированных электронно-излучательных состояний с передачей накопленных энергий матрицы к излучателям в люминофорах 〖Ca〗_2 P_2 O_7-Mn, 〖Ca〗_3 〖(PO〗_4 )_2-Mn, 〖Ca〗_2 P_2 O_7-Tb и 〖BaSO〗_4-Bi. Методическая база исследования. Рентгеноструктурный анализ образцов проводился с использованием дифрактометров Rigaku MiniFlex IІ и D6 PHASER, работающих в геометрии Брэгга-Брентано (θ/2θ). Данные собирались в диапазоне углов 2θ от 10 до 60°, с размером шага 0,02° и скоростью сканирования 1°/мин. Морфология образцов исследовалась с использованием сканирующего электронного микроскопа Hitachi SU-70. Фотолюминесцентные, рентгенолюминесцентные и фосфоресцентные спектры объектов изучались в широком температурном диапазоне от 77 К до 450 К с использованием термоактивационной установки и спектрофлуориметра Solar СМ2203. Спектры возбуждения и люминесценции в вакуумной ультрафиолетовой области были исследованы на вакуумном монохроматоре ВМР-2 и Solar M266 при температурной области от 15 К до 370 К. Для приготовления объектов применялся ручной гидравлический пресс, муфельная печь, сушильная печь, магнитная мешалка. Основные положения, выносимые на защиту: 1. Наведенные рекомбинационные полосы излучения при 2.95 эВ и 3.1 эВ, которые возбуждаются в электронных состояниях при 4.0 и 4.5 эВ, возникающие из энергетических уровней в результате переноса заряда от возбужденных анионов к примесям ( O^(2-)- 〖Mn〗^(2+)) и соседним ионам ( O^(2-)-(P_2 O_7 )^(4-)) матрицы, а так же при захвате свободных электронов ионами матрицы и примесями, впервые обнаружены в фосфатах 〖Ca〗_2 P_2 O_7-Mn при температурах 77 К и 15 К. 2. Рекомбинационные излучения при 2.95 эВ и 3.1 эВ в фосфатах 〖Ca〗_3 〖(PO〗_4 )_2-Mn и 〖Ca〗_2 P_2 O_7-Tb, возникающие при распаде комбинированных электронно–излучательных состояний, состоящих из собственных (PO_4 )^(4-)- (PO_4 )^(3-) и (P_2 O_7 )^(5-)-(P_2 O_7 )^(3-) и примесных 〖Mn〗^+- (PO_4 )^(3-) и 〖Tb〗^(2+)- (P_2 O_7 )^(3-) центров захватов, возникают при возбуждении фотонами 4.0 эВ и 4.5 эВ. 3. При облучении 〖BaSO〗_4-Bi фотонами с энергией превышающей ширину запрещенной зоны образуется комбинированное электронно-излучательное состояние, состоящее из рекомбинационных излучательных центров захватов 〖SO〗_4^(3-)-〖SO〗_4^- и 〖Bi〗^(2+)-〖SO〗_4^- локализованных под зоной проводимости матрицы. 4. Рекомбинационные полосы излучения, которые создаются в области прозрачности матрицы при 3.1 эВ, 2.4 эВ, 2.34 эВ, 2.7 эВ в 〖BaSO〗_4-Bi возникают при рекомбинации электронов из локальных состояний центров захвата с неэквивалентно локализованными дырками, расположенными в разных кристаллографических направлениях 〖SO〗_4^(3-)-〖SO〗_4(c)^-,〖SO〗_4^(3-)-〖SO〗_4(б)^-,〖 SO〗_4^(3-)-〖SO〗_4(а)^- и〖 e〗^-+〖SO〗_4^- (〖Bi〗^(3+) )→ e^0 (〖Bi〗^(3+)). Излучение 1.97 эВ соответствует внутрицентровому переходу 2_(p3/2)-2_(p1/2) (〖Bi〗^(2+)). Научная новизна работы: 1. Впервые в фосфатах 〖Ca〗_2 P_2 O_7 и 〖Ca〗_3 〖(PO〗_4 )_2, активированных ионами 〖Mn〗^(2+) и 〖Tb〗^(3+), обнаружены наведенные рекомбинационнные полосы излучения при энергиях 2.95 эВ и 3.1 эВ, которые возбуждаются в электронных состояниях, образованных из энергетических уровней возникающие в результате переноса заряда от возбужденных анионов к примесям ( O^(2-)- 〖Mn〗^(2+)) и соседним ионам ( O^(2-)-(P_2 O_7 )^(4-)) матрицы, а так же при захвате свободных электронов ионами матрицы и примесям при температурах 77 К и 15 К. 2. На основе измерений спектров возбуждения вновь созданных рекомбинационных излучений при 2.95 эВ и 3.1 эВ в фосфатах, было показано что, данные излучения возникают в результате распада комбинированных электронно-излучательных состояний центров, состоящих из собственных (P_2 O_7 )^(5-)-(P_2 O_7 )^(3-) и 〖(PO〗_4 )_2^(4-)- 〖(PO〗_4 )_2^(3-) и примесных 〖Mn〗^+- (P_2 O_7 )^(3-), 〖Mn〗^+- (PO_4 )^(3-), 〖Tb〗^(2+)- (P_2 O_7 )^(3-)и 〖Tb〗^(2+)- 〖(PO〗_4 )_2^(3-) центров захватов, расположенных в локальных энергетических уровнях в области прозрачности матрицы при 4.0 эВ и 4.5 эВ. 3. В люминофоре 〖BaSO〗_4-Bi при возбуждении фотонами с энергией, превышающей щирину запрешенной зоны, образуются комбинированные электронно-излучательные состояния, состоящие из рекомбинационно-излучательных состояний 〖SO〗_4^(3-)-〖SO〗_4 и 〖Bi〗^(2+)-〖SO〗_4^- и излучения иона 〖Bi〗^(2+), локализованного под зоной проводимости матрицы. 4. В облученном люминофоре 〖BaSO〗_4-Bi в фундаментальной спектральной области матрицы создаются четыре вида рекомбинационных полос излучения возникающие при рекомбинации электронов из локальных состояний с неэквивалентно локализованными дырками, расположенными в разных кристаллографических направлениях матрицы, соответствующие переходам 〖SO〗_4^(3-)-〖SO〗_(4(c))^-,〖SO〗_4^(3-)-〖SO〗_(4(б))^-,〖SO〗_4^(3-)-〖SO〗_(4(а))^- и 〖Bi〗^(2+)- 〖SO〗_4^- (〖Bi〗^(3+)) и внутрицентровым переходам 〖Bi〗^(2+) (2_(p3/2)-2_(p1/2)). Научная и практическая ценность работы. Фосфаты и сульфаты, активированные ионами 〖Mn〗^(2+), 〖Tb〗^(3+) и 〖Bi〗^(3+), такие как 〖Ca〗_2 P_2 O_7-Mn, 〖Ca〗_3 〖(PO〗_4 )_2-Mn, 〖Ca〗_2 P_2 O_7-Tb и 〖BaSO〗_4-Bi, представляют интерес как перспективные люминофоры для применения в твердотельной оптоэлектронике, инфракрасной визуализации и дозиметрии. Их люминесцентные свойства обусловлены образованием комбинированных электронно-излучательных состояний, включающих собственные и примесные электронно – дырочные центры захвата. Исследование механизмов передачи энергии от матрицы к примесным излучателям позволило выявить особенности накопления и релаксации энергии под воздействием внешнего излучения. Это открывает возможности для создания новых материалов с улучшенными характеристиками энергообмена и люминесценции, высокой энергоэффективностью и чувствительностью. Полученные результаты могут быть использованы при разработке люминесцентных покрытий, светодиодных источников, SWIR-сенсоров, а также термолюминесцентных и фотолюминесцентных детекторов и дозиметров нового поколения. Связь данной работы с другими научно-исследовательскими работами. Диссертационная работа выполнена в рамках проекта грантового финансирования научных исследований Комитета науки МНВО РК по теме: AP23488657 «Комбинированные излучательные электронные состояния в сульфатах и фосфатах для передачи энергии от матрицы к излучателям» (2024-2026 г.). Личный вклад автора. В процессе выполнения диссертационной работы автор принимал непосредственное участие во всех экспериментальных работах, обработке полученных данных и их интерпретации. Экспериментальные исследования были выполнены в лаборатории «Энергетики и функциональных материалов» Евразийского национального университета им. Л.Н. Гумилева, ENULab, а также в Институте химии Вильнюсского университета (г. Вильнюс, Литва). Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных конференциях: 15-я международная научная конференция «Физика твердого тела». (г. Астана, 2022 г.); 13-я Иссык-Кульская международная школы-конференция по радиационной физике SCORPh-2023, посвященной 90-летию со дня рождения члена-корреспондента НАН КР А.А. Алыбакова (г. Бишкек, 2023 г.); 6th International Conference «Rare Earth Materials» (г. Вильнюс, 20-23 октября 2024 г.); 16-я международная научная конференция «Физика твердого тела», посвященной памяти профессора Плотникова С.В. (г. Усть-Каменогорск, 4 апреля 2025 г.). Опубликованные результаты работы. По материалам диссертационной работы опубликованы 7 научных работ, из них: 3 статьи в рецензируемых научных журналах, входящих в базу данных Web of Science и Scopus; в материалах 4-х международных конференций. Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка использованных источников. Объем диссертационной работы составляет 105 машинописных страниц, включает 63 рисунка, 6 таблиц и 117 литературных источников.
Отзыв зарубежного консультанта
Заключение комиссии по этической оценке исследований
Решение диссертационного совета
Защита диссертации: https://www.youtube.com/watch?v=7UMaxcYjNUo
