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上海硅酸盐所在新型铽铝石榴石基磁光陶瓷研究方面取得系列进展发布时间:2018年6月21日 来源:上海硅酸盐研究所

铽铝石榴石(Tb3Al5O12TAG)在可见和近红外波段具有较高的光学透过率和较大的Verdet常数,被认为是用于法拉第隔离器的最理想材料之一。但由于TAG的非一致熔融特性,其晶体制备十分困难,所以一直未实现实际应用。而陶瓷的制备可以避免非一致熔融过程,使得TAG介质的优良特性得以实现。与单晶相比,TAG磁光陶瓷还具有易于制备大尺寸、抗热震性好、断裂韧性高等优点,具有良好的应用前景。     

  近日,中国科学院上海硅酸盐研究所李江研究员带领的透明与光功能陶瓷研究课题组在新型铽铝石榴石基磁光陶瓷研究中取得重要进展。该团队采用共沉淀法合成了0.5at% Ho:TAG纳米粉体,再结合真空烧结及热等静压后处理(HIP)技术制备得到了具有优异光学质量和磁光性能的Ho:TAG透明陶瓷,该材料在1064 nm波长处的直线透过率达到81.9%632.8 nm处的Verdet常数为-183.1 rad·T-1·m-1,比商用TGG单晶高36%。相关研究成果发表于国际著名期刊Scripta Materialia2018150: 160-163上,论文第一作者为上海硅酸盐所博士研究生戴佳卫,通讯作者为李江研究员。该工作获得了审稿人的高度评价,审稿人认为This is a novel paper on magneto-optical Verdet constant data on a transparent ceramic material that is quite hard to grow as a single crystal。鉴于该工作的影响力,研究团队随后受Scripta Materialia期刊主编Subhash H. Risbud博士(美国加州大学戴维斯分校教授)邀请撰写了关于磁光陶瓷领域的观点类文章“Promising Magneto-optical Ceramics for High Power Faraday Isolators”,并以Viewpoint Paper的形式发表在Scripta Materialia2018, DOI: 10.1016/j.scriptamat.2018.06.031上。     

  近年来,李江研究员团队开展了关于TAG磁光透明陶瓷的研究工作,并取得了系列研究成果。该团队首先以商业氧化物粉体为原料,采用固相反应法结合真空烧结技术来制备TAG磁光透明陶瓷,对粉体性能和陶瓷性能进行了系统研究,揭示了固相反应烧结过程中原料粉体的重要性Optical Materials, 2016, 62: 205-210。针对商业氧化铽粉体存在的团聚问题,该团队又通过沉淀法自主合成了分散性相对较好的氧化铽纳米粉体并以此为原料来制备TAG透明陶瓷,其光学透过率和商业粉制备的陶瓷相比有所提升Optical Materials,2017, 73: 706-711。与固相反应法相比,湿化学法合成粉体能够实现元素在原子水平的均匀混合,同时得到的粉体分散性和化学均匀性都较好,有利于后期透明陶瓷烧结。鉴于此,该团队又采用反滴共沉淀法成功合成了纯相TAG纳米粉体,对粉体性能进行了系统的研究和优化Optical Materials, 2017, 73: 38-44Ceramics International, 2017,43(16): 14457-14463。进一步地,在TAG纳米粉体中添加正硅酸乙酯(TEOS)作为烧结助剂并进行球磨后处理,结合后续的真空及热等静压烧结成功制备了在1064 nm波长处直线透过率为81.4%TAG磁光陶瓷Optical Materials, 2018, 78:370-374。这是国际上首次报道通过湿化学法成功制备高光学质量的TAG磁光陶瓷。     

  近期,该研究团队又通过顺磁性稀土离子掺杂对TAG陶瓷进行了性能调控,并取得了新的研究进展。他们以离子半径和Tb3+接近的Ce3+Pr3+为改性离子,成功制备了高光学质量的Ce:TAGPr:TAG磁光陶瓷。研究发现,由于掺杂离子对晶体场的影响以及和Tb3+之间存在超交换作用,掺杂后TAG磁光陶瓷的Verdet常数均有所提升,其中2.0at% Ce:TAG透明陶瓷在632.8 nm处的Verdet常数达到-196.2 rad·T-1·m-1TAG陶瓷和商业TGG晶体分别提高了9%46%Scripta Materialia2018, 15546-49     

  以上系列研究工作得到中国科学院前沿科学重点研究计划项目(院青年拔尖人才项目)、国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目、中国科学院上海硅酸盐研究所重点学科建设项目等资助。     

热等静压烧结(HIP)前后Ho:TAG磁光陶瓷的直线透过率曲线

  

TAG磁光陶瓷的热腐蚀抛光表面FESEM形貌(左图)和法拉第旋转角(右图)

 

不同掺杂浓度Ce:TAG磁光陶瓷的实物照片(a)与直线透过率曲线(b 

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