Актуальные тенденции применения редкоземельных металлов и их соединений в производстве магнитных и люминесцентных материалов

Рассмотрены современные тенденции применения редкоземельных металлов (РЗМ) в двух важнейших научно-технических сферах – производстве магнитных и люминесцентных материалов. Показано, что именно РЗМ придают этой продукции уникальные свойства. Систематизирована информация по содержанию матричных и легирующих компонентов, их влиянию на достижение требуемых характеристик наиболее востребованных магнитных материалов. Описаны перспективы новых комбинаций РЗМ в дальнейшем прогрессе производства магнитных материалов различного назначения. Наряду с традиционными композициями кобальт–самарий и неодим–железо–бор разработаны новые магнитные материалы с повышенными гистерезисными свойствами и температурно-временнóй стабильностью, синтезированы фазы с переменной валентностью, которые используются в качестве элементов памяти в информационных системах. Также рассмотрены и обобщены результаты исследований в другой важной области применения РЗМ – создании люминесцентных материалов. Люминофоры на основе соединений редкоземельных металлов используются в производстве ртутных ламп высокого давления с улучшенными характеристиками, рентгеновских экранов, люминесцентных ламп высокого и низкого давлений, экранов электронно-оптических преобразователей. Узкополосные люминофоры на основе соединений РЗМ представляют интерес для ламп, применяемых в растениеводстве, особенно для районов с холодным климатом, где круглогодичное выращивание растений возможно только при применении дополнительных источников излучения. Выявлены тенденции синтеза люминесцентных материалов с использованием различных РЗМ и их комбинаций. Акцентировано внимание на необходимости использования химически чистых прекурсоров РЗМ при создании таких материалов. Отмечена перспективность создания нанолюминофоров, а также совершенствования способов синтеза и методов диагностики.

1. Lee Y.I., Wong Y.J., Chang H.W., Chang W.C. Magn coercivity enhancement of hot-deformed NdFeB magnets by doping R80Ga20 (R = Pr, Dy, Tb) alloys. Mater. 2019. Vol. 478. P. 43—47.

2. Chang H.W., Lee Y. I., Liao P.H., Chang W.C. Significant coercivity enhancement of hot deformed NdFeB magnets by doping Ce-containing (PrNdCe)70Cu30 alloys powders. Scripta Mater. 2018. Vol. 14615. P. 222—225.

3. Li J., Guo C., Zhou T., Qi Z., Zhu M. Effects of diffusing DyZn film on magnetic properties and thermal stability of sintered NdFeB magnets. J. Magnetism and Magnetic Mater. 2018. Vol. 454. P. 215—220.

4. Zeng H., Liu Z., Li W., Zhang J., Guo B. Significantly enhancing the coercivity of NdFeB magnets by ternary Pr—Al—Cu alloys diffusion and understanding the elements diffusion behavior. J. Magnetism and Magnetic Mater. 2019. Vol. 4711. P. 97—104.

5. Li J., Huang X., Zeng L., Ouyang B., Zhong Z. Tuning magnetic properties, thermal stability and microstructure of NdFeB magnets with diffusing Pr-Zn films. J. Mater. Sci. Technol. 2020. Vol. 4115. P. 81—87.

6. Fan X., Ding G., Chen K., Guo S., Yan A. Whole process metallurgical behavior of the high-abundance rare earth elements LRE (La, Ce and Y) and the magnetic performance of Nd0.75LRE0.25—Fe—B sintered magnets. Acta Mater. 2018. Vol. 1541. P. 343—354.

7. Chen H., Yang X., Sun L., Yu P., Luo L. Effects of Ag on the magnetic and mechanical properties of sintered NdFeB permanent magnets. J. Magnetism and Magnetic Mater. 2019. Vol. 4851. P. 49—53.

8. Li D., Li Y., Pan D., Zhang Z., Choi C.J. Prospect and status of iron-based rare-earth-free permanent magnetic materials. J. Magnetism and Magnetic Mater. 2019. Vol. 4691. P. 535—544.

9. Popov V., Koptyug A., Radulov I., Maccari F., Muller G. Prospects of additive manufacturing of rare-earth and non-rare-earth permanent magnets. Proc. Manufact. 2018. Vol. 21. P. 100—108.

10. Choudhary N., Verma M.K., Sharma N.D., Sharma S., Singh D. Correlation between magnetic and transport properties of rare earth doped perovskite manganites La0.6R0.1Ca0.3MnO3 (R = La, Nd, Sm, Gd, and Dy) synthesized by Pechini process. Mater. Chem. Phys. 2020. Vol. 24215. Art. 122482.

11. Тарасенко Т.Н., Линник А.И., Вальков В.И., Бурховецкий В.В., Кравченко З.Ф., Каменев В.И., Мазур А.С. Особенности микроструктуры и магнитных свойств твердых растворов BixLa1–xMnO3 при слабом легировании висмутом (x = 0,025÷0,1). Труды КНЦ РАН. Химия и материаловедение. 2018. Т. 9. No. 2. С. 743—748.

12. Kanna R.R., Sakthipandi K., Seeni S.M. Maraikkayar M.A., Lenin. N. Doping effect of rare earth (lanthanum, neodymium and gadolinium) ions on structural, optical, dielectric and magnetic properties of copper nanoferrites. J. Rare Earths. 2018. Vol. 36. P. 1299—1309.

13. Oliveira A., Hneda M.L., Fernandez-Outon L.E., Barros de Sousa E.M., Ardisson J.D. Synthesis and characterization of nanocomposites based on rare earth orthoferrites and iron oxides for magnetic hyperthermia applications. Ceram. Inter. 2019. Vol. 45. P. 17920—17929.

14. Nemytova O.V., Piir I.V., Koroleva M.S., Perov D.V., Rinkevich A.B. Magnetic properties of nanocomposite and bulk rare earth titanates Ho2Ti2O7 and Yb2Ti2O7. J. Magnetism and Magnetic Mater. 2020. Vol. 49415. Art. 165800.

15. Castelnovo C., Moessner R., Sondhi S.L. Magnetic monopoles in spin ice. Nature. 2008. Vol. 451. P. 42—45.

16. Черепов В.В., Кропачев А.Н, Будин О.Н. Получение титаната европия EuTiO3 способом твердофазного спекания и изучение его магнитных свойств. Труды КНЦ РАН. Химия и материаловедение. 2019. Т. 10. С. 408—411.

17. Ahmad S., Ahmad R., Ahmad I. Physical properties and possible applications of gold-based rare earth intermetallics (R-Au): A review. J. Magnetism and Magnetic Mater. 2019. Vol. 49015. Art. 165477.

18. Gabani S., Flachbart K., Siemensmeyer K., Mori T. Magnetism and superconductivity of rare earth borides. J. Alloys Compd. 2020. Vol. 821. Art. 153201.

19. Mori T. Thermoelectric and magnetic properties of rare earth borides: Boron cluster and layered compounds. J. Solid State Chem. 2019. Vol. 275. P. 70—82.

20. Guo X., Guo Y. Effects on structure and magnetic properties of SmCo5 based intermetallic compounds by increasing configuration entropy from binary to quaternary equiatomic rare earths at Sm site. J. Alloys Compd. 2020. Vol. 81315. Art. 152230.

21. Shen S., Kang M., Lu A., Chen K., Sun R. Synthesis of silica/ rare-earth complex hybrid luminescence materials with cationic surfactant and their photophysical properties. J. Phys. Chem. Sol. 2019. Vol. 133. P. 79—84.

22. Moretti E., Bellotto L., Basile M., Malba C., Enrichi F., Benedetti A., Polizzi S. Investigation on the effect of Tb(dbm)3phenon the luminescent properties of Eu(dbm)3phen-containing mesoporous silica nanoparticles. Mater. Chem. Phys. 2019. Vol. 142. P. 445—452.

23. Moretti E., Talon A., Storaro L., Alessia Le Donne, Binetti S., Benedetti A., Polizzi S. Concentration quenching and photostabilityin Eu(dbm)3phen embedded in mesoporous silica nanoparticles. J. Lumin. 2014. Vol. 146. P. 178—185.

24. Huang J., Zhou L., Lan Y., Gong F., Li Q., Sun J. Synthesis and luminescence properties of the red phosphor CaZrO3:Eu3+ for white light-emitting diode application. Centr. Eur. J. Phys. 2011. Vol. 9. P. 975—979.

25. Cao R., Liao C., Xiao F., Zheng G., Hu W., Guo Y., Ye Y. Emission enhancement of LiLaMo2O8:Eu3+ phosphor by co-doping with Bi3+ and Sm3+ ions. Dyes and Pigments. 2018. Vol. 149. P. 574—580.

26. Yadav R.V., Singh A.K., Bahadur A., Yadav T.P., Yadav R.S., Rai S.B. Effect of Li+ on frequency upconversion and intrinsic optical bistability of Ho3+/Yb3+ co-doped gadolinium tungstate phosphor. J. Phys. Chem. Sol. 2018. Vol. 119. P. 138—146.

27. Полуэктов Н.С., Ефрюшина Н.П., Гава С.А. Определение микроколичеств лантаноидов по люминесценции кристаллофосфоров. Киев: Наук. думка, 1976.

28. Ермолаев В.П., Бодунов Е.И., Свешникова Е.Б., Шахвердов Т.А. Безызлучательный перенос энергии электронного возбуждения. Л.: Наука, 1977.

29. Wu Q., He Z., Huang Q., Zhao Q., Zhou J. The electronic structure, site occupancy and luminescent properties of Ce3+ activated Li2Ca2Si2O7 blue phosphor. Ceram. Inter. 2020. Vol. 46. No. 4. P. 4511—4518.

30. Li Q., Cheng L., Zhang W., Xie J., Zhang X. Luminescence properties and energy transfer investigations of Ce3+ and Tb3+ co-doped NaCaGaSi2O7 phosphors. Appl. Radiation and Isotopes. 2019. Vol. 150. P. 175—181.

31. Zhang X., Zhang W., Li Y., Li C. Hybrid luminescent materials of graphene oxide and rare-earth complexes with stronger luminescence intensity and better thermal Stability. Dyes and Pigments. 2017. Vol.140. P. 150—156.

32. Li Q., Yan B. Multi-component assembly of luminescent rare earth hybrid materials. J. Rare Earths. 2019. Vol. 37. P. 113—123.

33. Tripathi S., Tiwari R., Shrivastava A.K., Singh V.K., Dubey V. A review reports on rare earth activated AZrO3 (A = Ba, Ca, Sr) phosphors for display and sensing applications. Optik. 2018. Vol. 157. P. 365—381.

34. Yadav R.S., Rai S.B., Dhoble S.J. Recent advances on morphological changes in chemically engineered rare earth doped phosphor materials. Progr. Sol. State Chem. 2020. Vol. 57. Art. 100267.

35. Lin J., Kang J., Quan L.N., Lin Z., Kong Q., Lai M., Yu S., Wang L., Wang L.W., Toney M.F., Yang P. Copper(I)-based highly emissive all-inorganic rare-earth halide clusters. Mater. 2019. Vol. 1. No. 1. P. 180—191. DOI: 10.1016/j.matt.2019.05.027.

36. Murayama M., Yoda K., Komuro S., Crowe I.F., Zhao X. Effect of Al co-doping on the luminescence properties of Nd3+-doped TiO2 thin films. J. Luminescence. 2019. Vol. 216. Art. 116656.

37. Кемелбекова А.Е., Мухамедшина Д.М. Синтез высокодисперсных форм оксида цинка легированных редкоземельными элементами (обзор). Комплексное использование минерального сырья. 2019. Т. 311. No. 4. С. 12—18.

38. Sagar R., Shyam Y., Rai B. Concentration and wavelength dependent frequency downshifting photoluminescence from a Tb3+ doped yttria nano-phosphor: A photochromic phosphor. J. Phys. Chem. Sol. 2018. Vol. 114. P. 179—186.

39. Hao H., Lu H., Ao G., Song Y., Wang Y., Zhang X. Tunable emission color of Gd2(MoO4)3:Yb3+, Ho3+, Tm3+ phosphors via different excitation condition. Dyes and Pigments. 2018. Vol. 148. P. 298—305.

40. Yadav R.S., Dhoble S.J., Rai S.B. Enhanced photoluminescence in Tm3+, Yb3+, Mg2+ tri-doped ZnWO4 phosphor: Three photon upconversion, laser induced optical heating and temperature sensing. Sensors and Actuators B: Chemical. 2018. Vol. 273. P. 1425—1434.

41. Yadav M., Mondal M., Mukhopadhyay L., Rai V.K. Intense blue upconversion emission and intrinsic optical bistability in Tm3+/Yb3+/Zn2+ tridoped YVO4 phosphors. Methods Appl. Fluoresc. 2018. Vol. 6. No. 2. Art. 025001.

42. Façanha M.X., João F.F. do Carmo, Tasso P.C. do Nascimento, Sales O., Santos W.Q., Gouveia-Neto A.S., Carlos J. da Silva, Sombra A.S.B. A novel white-light emitting BaBi2Nb2O9 : Li+/Tm3+/Er3+/Yb3+ upconversion phosphor. J. Luminescence. 2018. Vol. 204. P. 539—547.

43. Yadav R.S., Rai S.B. Effect of annealing and excitation wavelength on the downconversion photoluminescence of Sm3+ doped Y2O3 nano-crystalline phosphor. Optics Laser Technol. 2019. Vol. 111. P. 169—175.

44. Yadav R.S., Bahadur A., Rai S.B. Concentration and pump power-mediated color tunability, optical heating and temperature sensing via TCLs of red emission in an Er3+/Yb3+/Li+ co-doped ZnGa2O4 phosphor. RSC Advances. 2019. Vol. 9. P. 40092—40108.

45. Зуев М.Г., Ильвес В.Г., Соковнин С.Ю., Васин А.А., Бакланова И.В. Новые наноразмерные люминофоры, полученные испарением силикатов и германатов РЗЭ. Физика твердого тела. 2019. Т. 61. No. 5. С. 1003—1011.

46. Vetrone F., Capobianco J.A. Lanthanide-doped fluoride nanoparticles: luminescence, upconversion, and biological applications. Int. J. Nanotechnol. 2008. Vol. 5. P. 9—12.