Люминесцирующие координационные соединения (КС) лантанидов являются незаменимыми кандидатами в люминесцентные материалы для многих современных высокотехнологичных применений, таких как люминесцентная биовизуализация, органические светодиоды (OLED), люминесцентная термометрия и т. д. Это связано с особенностями их люминесценции, которые приводят к длительным временам жизни возбужденного состояния и узким (10−20 нм) полосам люминесценции, в том числе в ИК диапазоне, положение которых практически постоянно, в сочетании с квантовыми выходами до 100%. Создание новых люминесцентных материалов на основе КС лантанидов — актуальная фундаментальная и практическая задача. В представленной работе она решена методом направленного синтеза, обеспечивающего наличие в новом соединении целого набора необходимых свойств: как люминесценции, так и специфичных дополнительных свойств, необходимых для превращения соединения в материал, таких как растворимость или ее отсутствие, нетоксичность или подвижность носителей заряда.
В данной работе разработан подход к направленному синтезу кандидатов в люминесцентные материалы для различных применений. Предложено математическое описание электролюминесценции КС лантанидов, что позволило установить выражение для максимально достижимой яркости электролюминесценции этих соединений и ее зависимость от свойств самого КС. Предложена математическая модель трех- и четырехуровневых люминесцентных термометров, с использованием которой получены выражения для чувствительности таких систем к температуре, что стало основой для осмысленного дизайна соединений — кандидатов в материалы для люминесцентной термометрии. Получено аналитическое описание сенсоров, чувствительных к примеси воды в тяжелой воде на основе КС тербия и европия, которое устанавливает взаимосвязь состава и строения этих КС и чувствительности сенсоров на их основе.
В результате в работе направленным синтезом получено и детально охарактеризовано более 500 новых соединений с рекордными квантовыми выходами в зеленой (100%), красной (90%) и ИК области (4.5%), а также демонстрирующие высокую растворимость, термическую стабильность и подвижность носителей заряда. На большом массиве полученных экспериментальных данных выявлены основные закономерности, связывающие природу люминесцирующих ионов лантанидов, а также анионного и нейтрального лигандов в составе КС на их люминесцентные свойства, растворимость, поглощение и заряд-транспортные свойства. С использованием обнаруженных закономерностей и полученных математических моделей предложен подход к направленному синтезу кандидатов в люминесцентные материалы для OLED, люминесцентной биовизуализации и люминесцентной термометрии на основе КС лантанидов.
Получены OLED на основе эмиссионных слоев с рекордной эффективностью в ИК диапазоне (780 мкВт/Вт). Получены материалы для люминесцентной термометрии с максимальной на сегодняшний день чувствительностью (50%/K), а также впервые получены материалы для люминесцентной термометрии при повышенной температуре на основе КС лантанидов.
Представленная работа имеет большое теоретическое значение, поскольку в ней разработано математическое описание электролюминесценции КС лантанидов, а также описание люминесцентных термометров и люминесцентных сенсоров на их основе. Научная и практическая значимость работы заключается в том, что представленные результаты позволяют проводить направленный синтез новых люминесцентных материалов для различных применений.