【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所Q&Q+研究中心王俊研究員團隊在Mg、Si共摻雜TAG磁光陶瓷研究方面取得進展，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率等優(yōu)點，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，當作為燒結(jié)助劑而添加的硅離子含量超過300 ppm時，會顯著促進晶界相的生成，同時導(dǎo)致二氧化硅在晶界處析出；當添加 930 ppm 硅離子含量時，晶界相的厚度達 到80 納米。這類晶界相會引發(fā)散射損耗，降低激光的透射效率。因此當陶瓷孔隙率極低時，其激光性能在很大程度上取決于晶界相的含量。研究團隊此前研究得出，采用質(zhì)量比添加TEOS與MgO復(fù)合燒結(jié)助劑時，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，但能譜分析仍檢測到Mg和Si在晶界處發(fā)生偏析。為了解決這一問題，研究團隊以非化學(xué)計量比Mg2+-Si4+格位摻雜進行設(shè)計實驗，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陶瓷的照片和透過率曲線,以及晶界的TEM圖像和元素分析
研究團隊對非化學(xué)計量比Mg2+-Si4+格位摻雜的內(nèi)在作用機制進行深入分析，并開展了進一步的實驗驗證。通過系統(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)。通過對晶格參數(shù)與氧空位濃度變化的分析發(fā)現(xiàn)，Si4+比Mg2+更早進入晶格，且隨著溫度升高，Si4+的存在又會反過來提升Mg2+的固溶度。通過精準調(diào)控鎂和硅的原子比，實現(xiàn)了對陶瓷致密化過程的優(yōu)化控制。研究團隊對最優(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)計量比的晶格設(shè)計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，幾乎檢測不到。這一發(fā)現(xiàn)印證了在非化學(xué)計量比摻雜的條件下，針對燒結(jié)助劑的種類和含量進行協(xié)同優(yōu)化，對于制備更高光學(xué)品質(zhì)的石榴石透明陶瓷具有重要意義。
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