Влияние оксида церия на физические, структурные и спектроскопические свойства теллуро‑боратных стёкол для устройств, излучающих прохладный зелёный свет

Стекло, которое светится прохладным зелёным

Светоизлучающие устройства — от экранов телефонов до интеллектуального освещения — зависят от материалов, которые превращают электричество или высокоэнергетический свет в цвета, приятные нашему глазу. В этом исследовании изучается новый тип стекла, который при добавлении малой доли церия излучает прохладный зелёный свет; речь идёт о потенциальном применении в энергоэффективных лампах, оптических волокнах и других оптоэлектронных устройствах.

Создание особого вида стекла

Исследователи начали со смеси распространённых оксидов, формирующих стекло: оксида бора, оксида теллура и оксида натрия. Путём совместного расплавления этих порошков и быстрого охлаждения расплава они получили прозрачные некристаллические образцы стекла. В базовый состав постепенно вводили небольшие дозы оксида церия, создав серию проб с увеличивающимся содержанием церия. Рентгеновские испытания подтвердили, что все образцы остались аморфными, то есть не образовали кристаллической фазы — важное условие для изготовления однородных оптических компонентов.

Заглядывая внутрь стеклянной сети

Чтобы понять, как церий меняет стекло изнутри, команда использовала инфракрасную спектроскопию — метод, считывающий колебания атомов при прохождении света. Они обнаружили, что стеклянная сеть состоит из борнатных и теллуритных звеньев, и что добавление церия тонко перестраивает эти структуры. В частности, увеличивается число «свободных» атомов кислорода, связанных только с одним соседним атомом вместо двух. Эти изменения ослабляют сеть, уменьшают плотность стекла и увеличивают объём на атом, что, в свою очередь, влияет на подвижность электронов и их отклик на свет.

Формирование оптических свойств

Затем учёные измерили поглощение стекол в ультрафиолетовой и видимой областях. По этим данным они оценили энергию, необходимую электронам для перехода между состояниями (оптическую ширину запрещённой зоны), а также показатель преломления — меру того, насколько сильно материал отклоняет свет. По мере изменения содержания церия менялись и оптические щели и показатель преломления, отражая тонкий баланс между более открытой структурой и усилением электронных взаимодействий. Стёкла показали относительно высокие показатели преломления и подходящие значения числовой апертуры, что означает их достаточную способность к направлению света для использования в сердцевинах оптических волокон и других световодящих элементах.

От невидимого возбуждения к видимому зелёному свету

Наиболее заметное поведение проявилось при возбуждении церий‑содержащих стёкол более высокоэнергетическим светом. Электроны в ионах церия переходили в возбуждённые состояния, а затем релаксировали, отдавая излишек энергии в виде видимых фотонов. Вместо узких линий излучение представляло собой широкую полосу, центрированную в зелёной области спектра, создавая прохладное зелёное свечение. Путём подбора содержания церия команда выявила оптимальный состав, при котором яркость достигала максимума, а затем снижалась из‑за взаимодействий между слишком близко расположенными ионами церия. Цветовые измерения поместили излучение в область от зелёного к желтоватому, а скоррелированные цветовые температуры превысили 5000 К — значения, соответствующие холодным, дневным оттенкам света.

Почему это важно для будущего освещения

Проще говоря, работа показывает, что тщательно подобранный рецепт оксидов и щепотка церия могут превратить обычный кусок стекла в компактный и долговечный источник зелёного света. Поскольку тот же материал обладает благоприятными характеристиками для преломления и направления света, он может выполнять двойную функцию в устройствах — как генерировать свет, так и передавать сигналы. Среди протестированных образцов стекло со средней долей церия давало самое яркое и наиболее холодное зелёное свечение, что делает его перспективным кандидатом для светоизлучающих и оптоэлектронных устройств следующего поколения.

Цитирование: Shiva Kumar, B.N., Vinay, D. & Devaraja, C. Effect of cerium oxide on physical, structural, and spectroscopic properties of tellurium-borate glasses for cool greenish light emitting devices. Sci Rep 16, 9859 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40883-y

Ключевые слова: стекло, излучающее зелёный свет, стекло, легированное церием, боратно‑теллуритовая оптика, оптоэлектронные материалы, компоненты для холодного белого освещения