Стекло является одним из основных материалов промышленных и технологических приложений благодаря широкому спектру тепловых, механических, химических и электроизоляционных качеств. Стекло выступает в роли эффективной основы для двумерных материалов (2D), благодаря своим выдающимся оптическим характеристикам, термической стабильности и химической инертности. Но, чтобы идти в ногу с технологическими инновациями, материалы нуждаются в постоянном совершенствовании. В ответ на актуальный запрос промышленности, международный коллектив ученых из МФТИ и Университета Минуфии (Египет) разработал новый тип высокоплотного оптического стекла с улучшенными оптическими характеристиками и высокой структурной стабильностью. Исследование, опубликованное в журнале Ceramics International, открывает новые перспективы в проектировании фотонных материалов, обещая повышение эффективности передовых технологий, таких как лазерные системы и нелинейная оптика.
В эпоху, когда все большее значение придается передовым и специализированным технологиям, исследования в области разработки стеклянных материалов становятся одним из ключевых аспектов для достижения этих целей. В медицине, промышленности и ядерных исследованиях все более активно применяется радиация, что требует создания более совершенных защитных материалов. В последнее время стекло широко используется в этой области, его свойства значительно лучше традиционных свинца и бетона. Новые стеклянные материалы зачастую нетоксичны и экологически безопасны и несут в себе потенциальную возможность создания различных составов с широкой вариацией свойств. Добавим химическую и механическую стабильность, пригодность к переработке и низкую стоимость приготовления.
Коллектив ученых из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ совместно с коллегами из Египта задался целью разработать новый тип высокоплотного оптического стекла.
«Наше исследование посвящено стеклу, но это необычное стекло. Благодаря новым разработкам в области оптических свойств этот привычный для нас материал стало возможным использовать при разработке приложений в области фотоники — новой ступени развития электроники, лазеров и столь популярных сейчас сенсоров. Создавать новые материалы на основе стекла с заданными свойствами уже вполне возможно, но это остается сложной задачей, так как необходимо внести точные химические изменения и тщательно выбрать сырьевые материалы и их пропорции.
В этом исследовании нам удалось значительно улучшить свойства стекла благодаря замене оксида кадмия (CdO) на оксид висмута (Bi2O3) в определённой стеклянной матрице, что привело к существенным изменениям в светопоглощении и ширине запрещённой зоны. В быстроразвивающихся областях современной промышленности такие открытия приводят нас к будущим инновациям», — рассказала о работе Элсайед Марва Али Абделразик, научный сотрудник лаборатории двумерных материалов и наноустройств МФТИ.
Результаты замены показали, что введение Bi2O3 увеличило плотность стекла и одновременно уменьшило оптическую запрещённую зону, что повысило способность материала поглощать свет в ближнем инфракрасном диапазоне. Кроме того, это изменение способствовало увеличению показателя преломления, что делает материал более способным к фокусировке света и управлению его распространением внутри стекла. Эта особенность открывает новые возможности в области оптической связи и фотонных сенсоров, где важную роль играет точный контроль взаимодействия материала со светом.
Образцы стекла после процедур отжига, сортировки и полировки. Цвет и прозрачность некристаллических образцов менялись в зависимости от соотношения замены оксида кадмия на оксид висмута. Цвет образцов начинается со светло-желтого. Степень окраски увеличивается, пока не достигает коричневого в образце, который содержит самый высокий процент висмута 30%. Источник: Ceramics International
«Стекло имеет множество полезной свойств, но одной из основных проблем традиционных видов является их хрупкость и подверженность деградации при длительном воздействии. Однако испытания новых образцов показали исключительную структурную стабильность, что делает их идеальными кандидатами для использования в сложных условиях эксплуатации. Анализ рентгеновской дифракции подтвердил, что новый материал сохраняет свою аморфную структуру, что свидетельствует о высокой степени химической однородности и отсутствии кристаллических дефектов, которые могли бы отрицательно сказаться на его оптических характеристиках», — подчеркнула Элсайед Марва Али Абделразик.
Что это значит с точки зрения практического применения? По словам исследователей, улучшенные оптические свойства этого стекла делают его идеальным выбором для производства высокоточных линз и передовых оптических компонентов, где критически важен контроль показателя преломления. Кроме того, уменьшение ширины запрещенной зоны расширяет возможности использования этого материала в инфракрасных детекторах, повышая эффективность систем наблюдения и сенсорных технологий, а также выводя фотонную визуализацию на новый уровень точности и производительности.
Результаты исследования указывают на возможность более широкого применения данного подхода в будущем, что может значительно повысить эффективность современных фотонных систем и усовершенствовать передовые оптические технологии. Это исследование представляет собой важный шаг в направлении создания более эффективных и устойчивых стекломатериалов. Оно доказывает возможность модификации химического состава стекла для улучшения его оптических и физических свойств без необходимости использования редких элементов или сложных производственных процессов.
Элсайед Марва Али Абделразик отметила, что данное исследование является основой долгого и продуктивного пути к разработке инновационных стеклянных материалов: «Мы продолжаем улучшать свойства стекла путем добавления тщательно подобранных оксидов металлов и наноматериалов, что открывает широкие перспективы для применения в экстремальных условиях, требующих исключительных характеристик.
Эти усилия представляют собой важный шаг в области оптических и сенсорных технологий, прокладывая путь к открытию новых горизонтов в науке, что предвещает технологический прогресс, способный изменить многие отрасли в ближайшем будущем».
