【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所Q&Q+研究中心王俊研究員團(tuán)隊(duì)在Mg、Si共摻雜TAG磁光陶瓷研究方面取得進(jìn)展，相關(guān)成果以“Roles of non-stoichiometric Mg2+-Si4+ co-doping in the sintering process of TAG ceramics with higher optical quality”為題發(fā)表于Journal of the European Ceramic Society。
鋱鋁石榴石(TAG)陶瓷已成為一種極具前景的高功率法拉第隔離器的磁光材料，具有高Verdet常數(shù)、高熱導(dǎo)率和在可見光到近紅外波段的高透過(guò)率等優(yōu)點(diǎn)，與常用的商用TGG單晶相比，TAG陶瓷的Verdet常數(shù)約高30%，導(dǎo)熱系數(shù)約高14%。在此前的相關(guān)陶瓷燒結(jié)研究中已經(jīng)表明，當(dāng)作為燒結(jié)助劑而添加的硅離子含量超過(guò)300 ppm時(shí)，會(huì)顯著促進(jìn)晶界相的生成，同時(shí)導(dǎo)致二氧化硅在晶界處析出；當(dāng)添加 930 ppm 硅離子含量時(shí)，晶界相的厚度達(dá) 到80 納米。這類晶界相會(huì)引發(fā)散射損耗，降低激光的透射效率。因此當(dāng)陶瓷孔隙率極低時(shí)，其激光性能在很大程度上取決于晶界相的含量。研究團(tuán)隊(duì)此前研究得出，采用質(zhì)量比添加TEOS與MgO復(fù)合燒結(jié)助劑時(shí)，盡管XRD分析顯示陶瓷為純相、掃描電鏡圖像中也未觀察到明顯的第二相，但能譜分析仍檢測(cè)到Mg和Si在晶界處發(fā)生偏析。為了解決這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)以非化學(xué)計(jì)量比Mg2+-Si4+格位摻雜進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明能夠有效減少晶界處殘余相的存在，提升鋱鋁石榴石(TAG)透明陶瓷的光學(xué)品質(zhì)，其效果優(yōu)于傳統(tǒng)按質(zhì)量比添加的單一組分燒結(jié)助劑。
圖1:TAG陶瓷的照片和透過(guò)率曲線,以及晶界的TEM圖像和元素分析
研究團(tuán)隊(duì)對(duì)非化學(xué)計(jì)量比Mg2+-Si4+格位摻雜的內(nèi)在作用機(jī)制進(jìn)行深入分析，并開展了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)系統(tǒng)的探究，揭示了Mg2+-Si4+在不同燒結(jié)階段的固溶行為，以及該行為與陶瓷致密化、物相演變和晶界微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)。通過(guò)對(duì)晶格參數(shù)與氧空位濃度變化的分析發(fā)現(xiàn)，Si4+比Mg2+更早進(jìn)入晶格，且隨著溫度升高，Si4+的存在又會(huì)反過(guò)來(lái)提升Mg2+的固溶度。通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控鎂和硅的原子比，實(shí)現(xiàn)了對(duì)陶瓷致密化過(guò)程的優(yōu)化控制。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)最優(yōu)樣品晶界的透射電鏡分析表明，在MgO和TEOS較高添加量的條件下，這種非化學(xué)計(jì)量比的晶格設(shè)計(jì)方法能顯著減少晶界殘余相，圖中展示了額外晶界相的厚度小于 5 納米，幾乎檢測(cè)不到。這一發(fā)現(xiàn)印證了在非化學(xué)計(jì)量比摻雜的條件下，針對(duì)燒結(jié)助劑的種類和含量進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，對(duì)于制備更高光學(xué)品質(zhì)的石榴石透明陶瓷具有重要意義。
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