Naukowcy z Uniwersytetu Śląskiego: dr Małgorzata Płońska oraz prof. dr hab. Wojciech Pisarski opracowali ferroelektryczne materiały ceramiczne PLZT wykazujące podczerwoną luminescencję. Uzyskane właściwości fizykochemiczne nowych materiałów sprawiają, że mogą one być stosowane np. jako inteligentne czujniki i przetworniki w elektronice, natomiast dzięki wysokiemu natężeniu luminescencji znajdą zastosowanie m.in. w tomografii optycznej (OCT) czy testowaniu łączy optycznych w telekomunikacji. Wynalazek został objęty ochroną patentową.
Ważnym osiągnięciem w historii materiałów ferroelektrycznych było otrzymanie w 1967 roku przez Gene’a H. Haertlinga i współpracowników z Sandia Laboratories (USA) składów PZT modyfikowanych lantanem, czyli (Pb,La)(Zr,Ti)O3, w formie polikrystalicznych spieków charakteryzujących się dużą spoistością, wytrzymałością i przezroczystością. Materiały te – ze względu na interesujące właściwości piezo-, piro-, ferroelektryczne oraz elektrooptyczne – początkowo wykorzystywane były jedynie do celów militarnych, stopniowo jednak znalazły zastosowanie we współczesnej technice. Choć praktycznie nie przewodzą prądu elektrycznego, pod wpływem pewnych bodźców, takich jak zmiana temperatury, w ich strukturze krystalicznej może dojść do nieznacznego przesunięcia jonów oraz zmiany odległości między nimi, co prowadzi do pojawienia się tzw. polaryzacji spontanicznej. Będąc piezoelektrykami, mają ponadto zdolność generowania ładunków elektrycznych na swojej powierzchni pod wpływem mechanicznego nacisku. Innymi słowy, jeśli zostaną ściśnięte lub rozciągnięte, na ich powierzchniach pojawi się napięcie elektryczne.
Możliwość modyfikowania podstawowych składów PLZT poprzez wprowadzanie domieszek jonów innych pierwiastków, np. lantanowców, jak również dobór metody syntezy i warunków spiekania ma istotny wpływ na parametry uzyskiwanych materiałów ceramicznych, szczególnie tych do zastosowań optycznych. Stąd też luminescencyjna ceramika ferroelektryczna oparta na matrycy ceramicznej PLZT jest współcześnie bardzo cennym materiałem do zastosowań typowych, ale i specjalnych w elektronice, technice laserowej, diagnostyce medycznej, jako różnego rodzaju sensory, siłowniki, przetworniki, a także elementy ferroelektrycznych pamięci.
– Uzyskanie transparentnego materiału ceramicznego jest jednak niezwykle trudne, dlatego wciąż poszukujemy nowych metod ich otrzymywania – mówi dr Małgorzata Płońska z Wydziału Informatyki i Nauki o Materiałach. Konwencjonalne sposoby wytwarzania ceramiki PLZT polegają na mieszaniu suchych składników, takich jak np. tlenki i węglany odpowiednich metali, które syntezuje się w wyniku wysokotemperaturowego procesu. Opisana metoda niesie ze sobą jednak pewne ograniczenia, m.in. nie zawsze daje możliwość modyfikowania podstawowego składu chemicznego innymi pierwiastkami, uzyskiwania homogenicznych składów, a ponadto wymaga stosowania zwykle wysokich temperatur.
Z technologicznego punktu widzenia możliwości poprawiania właściwości materiałów poprzez sam dobór parametrów ich spiekania praktycznie się wyczerpały. Elektroceramika PLZT dla celów optycznych powinna być otrzymywana z proszków o wysokiej czystości, jednorodności chemicznej i fizycznej, dlatego podczas ich wytwarzania szczególną uwagę należy zwrócić na kontrolę wzrostu wielkości ziaren i efekt teksturowania ceramiki, bo tylko właściwie rozwinięty proces syntezy ułatwia transport masy i wpływa na proces krystalizacji materiału. W związku z tym współautorka wynalazku w prowadzonych badaniach zastosowała tzw. mokre metody chemiczne, czyli syntezę materiałów w fazie ciekłej, określaną jako samospalanie żelu. – Najpierw przygotowuję klarowny roztwór wszystkich składników, do którego wprowadzam prekursory interesujących mnie pierwiastków metalicznych oraz specjalne „paliwko” procesu syntezy. Mieszaninę reakcyjną zagęszczam następnie przez odparowanie. W odpowiedniej temperaturze składnik ten ulega rozkładowi w wyniku podgrzewania, co wyzwala gwałtowną reakcję spalania. W efekcie otrzymuję submikronowej wielkości proszki odpowiadające składowi zaprojektowanej ceramiki. Upakowanie proszku przed spiekaniem jest bardzo ważne na dalszym etapie uzyskiwania aktywnych optycznie materiałów, ponieważ proces ten ma istotny wpływ na gęstość porów oraz eliminuje powstawanie centrów rozpraszania światła w ceramice – wyjaśnia chemik.
Badania właściwości optycznych wytworzonych materiałów ceramicznych Pr3+/Yb3+:PLZT koordynował prof. dr hab. Wojciech Pisarski z Wydziału Matematyki, Fizyki i Chemii. Wyznaczono szereg parametrów spektroskopowych jonów lantanowców, m.in. czasy życia stanów wzbudzonych oraz przekroje czynne na emisję wymuszoną. Opatentowane materiały, oprócz swoistych cech matrycy ceramicznej PLZT, dzięki zastosowaniu przez autorów wynalazku podwójnego jej domieszkowania jonami Pr3+/Yb3+, emitują bardzo wydajne promieniowanie w bliskiej podczerwieni. Jak mówi dr Małgorzata Płońska, próbka ceramiki może zostać wzbudzona pod wpływem fali świetlnej, co wywołuje jej luminescencję przy 1340 nm, niezależnie od długości fali wzbudzenia 450 nm (Pr3+) lub 980 nm (Yb3+). Oznacza to, że np. urządzenia z wbudowanymi czujnikami z opatentowanego materiału mogą być uaktywniane poprzez skierowany w ich stronę strumień światła.
Celem naukowców z Uniwersytetu Śląskiego było uzyskanie tworzyw o znakomitych właściwościach zarówno optycznych, jak i dielektrycznych. – Testowaliśmy wiele wariantów otrzymywania tak zaprojektowanych materiałów ceramicznych. Podwójne domieszkowanie pierwiastkami z grupy lantanowców, w określonej konfiguracji składników, przy zastosowaniu odpowiedniej metody wymagało od nas cierpliwości, ale efekty pracy są satysfakcjonujące. Przeprowadzone badania wykazały ścisłą zależność między podczerwoną luminescencją jonów Pr3+, a zawartością lantanu w matrycy PLZT. Co istotne, odpowiednią długością fali możemy również sterować jego elektrycznymi właściwościami, a także mamy możliwość sprawdzenia, w jaki sposób natężenie pola elektrycznego wpływa na optyczne właściwości naszych ceramik. Wspólnie z prof. Wojciechem Pisarskim otrzymaliśmy inteligentny, nowoczesny materiał o potencjalnie szerokim zastosowaniu, a szczegółowe wyniki naszych badań opublikowane zostały w prestiżowym czasopiśmie „Journal of the American Ceramic Society” – podsumowuje dr Małgorzata Płońska.
Małgorzata Kłoskowicz | Sekcja Prasowa UŚ
