上海硅酸鹽所在鋱鋁石榴石（TAG）基磁光陶瓷方向取得系列研究進(jìn)展
文章來(lái)源：上海硅酸鹽研究所 | 發(fā)布時(shí)間：2024-09-26 | 【打印】 【關(guān)閉】
隨著激光技術(shù)和激光系統(tǒng)的快速發(fā)展，激光器已在激光加工、引力波探測(cè)、慣性約束核聚變、激光醫(yī)療、科學(xué)研究等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，如今人們進(jìn)一步對(duì)激光器的性能提出了更高要求。通常，出射激光被物體反射后，會(huì)對(duì)前端系統(tǒng)造成干擾甚至損傷，影響激光器的穩(wěn)定工作，而采用磁光隔離器可以有效地解決這一問(wèn)題。磁光材料是光隔離器的核心部件，其利用法拉第效應(yīng)，在磁場(chǎng)作用下使入射光的偏振面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)激光的正向通過(guò)與反向隔離，保障激光系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。目前Tb3Ga5O12（TGG）磁光晶體的綜合性能突出，制備工藝成熟，已廣泛應(yīng)用于可見(jiàn)到近紅外波段的光隔離器中。但TGG單晶在用于高功率激光系統(tǒng)時(shí)，各項(xiàng)性能指標(biāo)難以滿足要求，因此需要尋找性能更佳的磁光材料。鋱鋁石榴石（Tb3Al5O12，TAG）材料具有高Verdet常數(shù)（約為TGG單晶的1.3倍），且其熱導(dǎo)率、磁光優(yōu)值、熱光性能等指標(biāo)均優(yōu)于商用TGG單晶，因此被認(rèn)為是應(yīng)用于高功率法拉第光隔離器的理想磁光材料。但由于TAG為非一致熔融材料，高質(zhì)量、大尺寸TAG單晶的生長(zhǎng)極為困難，而在非一致熔融溫度以下制備的TAG磁光陶瓷有望成為TGG磁光晶體的替代材料。
近期，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所李江研究員團(tuán)隊(duì)深入開(kāi)展了TAG基磁光陶瓷的研究工作，并取得了系列研究進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)性回顧了當(dāng)前TAG基磁光陶瓷的研究進(jìn)展，并對(duì)其他石榴石、倍半氧化物、燒綠石（A2B2O7）型磁光陶瓷的制備方法與綜合性能進(jìn)行了全面綜述，提出了各類磁光陶瓷的研究重點(diǎn)與面臨的挑戰(zhàn)。最后對(duì)磁光陶瓷的現(xiàn)存問(wèn)題與解決方案進(jìn)行了討論，并對(duì)該領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。相關(guān)研究成果發(fā)表在Journal of Advanced Ceramics（2023,12: 873-915）。
磁光隔離器的工作原理示意圖
同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)采用液相共沉淀法合成了TAG納米粉體，利用真空燒結(jié)結(jié)合熱等靜壓燒結(jié)（HIP）技術(shù)，成功制備了高光學(xué)質(zhì)量、細(xì)晶粒的TAG磁光陶瓷。其在1064nm處的直線透過(guò)率達(dá)到了81.6%，平均晶粒尺寸約為7.1μm。經(jīng)過(guò)測(cè)試，TAG磁光陶瓷在633nm處的Verdet常數(shù)為-179.6±4.8rad·T-1·m-1，1064nm處的Verdet常數(shù)為-52.1±1.9rad·T-1·m-1，高于商用的TGG單晶。TAG磁光陶瓷在室溫的熱導(dǎo)率為5.12W·m-1·K-1，在450℃時(shí)的熱導(dǎo)率為3.61W·m-1·K-1。此外，通過(guò)高溫與低溫兩種燒結(jié)制度獲得了TAG透明陶瓷并對(duì)比研究了其力學(xué)性能。降低燒結(jié)溫度后，TAG透明陶瓷的晶粒尺寸明顯減小，抗彎強(qiáng)度提升了約9.7%。而且顯微結(jié)構(gòu)的變化對(duì)TAG磁光陶瓷的斷裂方式有著明顯的影響，細(xì)晶粒TAG陶瓷的斷裂方式主要是沿晶斷裂，而粗晶粒TAG陶瓷的斷裂方式是沿晶和穿晶斷裂共存。同時(shí)，測(cè)得TAG磁光陶瓷的維氏硬度約為12.8±0.2GPa，與TAG單晶相一致。相關(guān)研究成果發(fā)表于Journal of the American Ceramic Society（2023,106: 5311-5321）。
不同溫度真空預(yù)燒結(jié)合HIP后處理（1600oC×3h）制備的TAG陶瓷的實(shí)物照片與直線透過(guò)率曲線
此外，關(guān)于TAG磁光陶瓷服役性能的研究在國(guó)際上備受關(guān)注。近期，李江研究員團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了關(guān)于TAG磁光陶瓷服役性能的研究工作，并取得了重要研究進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)采用固相反應(yīng)燒結(jié)結(jié)合HIP后處理技術(shù)制備了高光學(xué)質(zhì)量的TAG磁光陶瓷，其在1064nm和633nm處的直線透過(guò)率分別達(dá)82.8%和82.1%。該TAG磁光陶瓷在1070nm處的Verdet常數(shù)為50.9 rad·T-1·m-1，吸收系數(shù)為2.5×10-3 cm-1，冷消光比達(dá)到55dB，并可實(shí)現(xiàn)~1.2kW的有效磁光隔離。該研究結(jié)果證實(shí)了TAG磁光陶瓷在高功率法拉第隔離器中具有優(yōu)良的應(yīng)用前景。相關(guān)研究成果發(fā)表于Journal of the American Ceramic Society（2024,107: 3653-3658）。
TAG磁光陶瓷的實(shí)物圖與直線透過(guò)率曲線
TAG磁光陶瓷的熱退偏曲線
由于TAG固溶范圍窄，易析出第二相，TAG陶瓷化學(xué)計(jì)量配比的精確控制是提升TAG磁光陶瓷光學(xué)質(zhì)量的重點(diǎn)與難點(diǎn)。近期，李江研究員團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了關(guān)于Y3+部分取代Tb3+，并采用兩步燒結(jié)技術(shù)制備TYAG磁光陶瓷的研究工作。研究發(fā)現(xiàn)，隨著Y含量的增加，(Tb1-xYx)3Al5O12 (x=0,0.05,0.1,0.2,0.3) 陶瓷中的氧化鋁第二相含量明顯降低，光學(xué)透過(guò)率提高。所得 (Tb0.8Y0.2)3Al5O12陶瓷在1064nm處的直線透過(guò)率達(dá)82.9%，在633nm處的直線透過(guò)率為82.2%。結(jié)果表明，通過(guò)添加Y2O3可使TAG磁光陶瓷的光學(xué)損耗降低約一個(gè)數(shù)量級(jí)，大大提高了陶瓷的光學(xué)質(zhì)量，有利于應(yīng)用性能的提升。研究發(fā)現(xiàn)，TYAG陶瓷的磁光性能、熱學(xué)性能隨著Y含量的提高，有不同程度的下降。添加20at.%Y后，磁光陶瓷的Verdet常數(shù)下降約24%，仍高于TGG磁光晶體；熱導(dǎo)率下降約9.4%，降低后與TGG單晶熱導(dǎo)率相當(dāng)。經(jīng)過(guò)綜合考慮TYAG陶瓷的性能，確認(rèn)Y2O3是一種有效的添加劑，有利于提升TAG基磁光陶瓷的綜合性能。相關(guān)研究成果發(fā)表在Journal of Advanced Ceramics（2024,13: 529-538）。上述論文的第一作者均為上海硅酸鹽所博士研究生章立軒，通訊作者為上海硅酸鹽所李江研究員。
不同Y含量TYAG磁光陶瓷的（a）實(shí)物圖與直線透過(guò)率，（b）理論透過(guò)率與光學(xué)損耗
為了進(jìn)一步提升TAG磁光陶瓷的固溶范圍，防止第二相產(chǎn)生，同時(shí)又希望保持TAG陶瓷的高Verdet常數(shù)，李江研究員團(tuán)隊(duì)近期開(kāi)展了關(guān)于TSAG磁光陶瓷的研究工作。該團(tuán)隊(duì)采用固相反應(yīng)燒結(jié)結(jié)合HIP處理技術(shù)制備了不同Sc含量的TSAG磁光陶瓷，并從物相與晶體結(jié)構(gòu)、燒結(jié)動(dòng)力學(xué)、微觀形貌、光學(xué)性能、磁光性能對(duì)TSAG陶瓷進(jìn)行了全面而系統(tǒng)的研究。同時(shí)，采用第一性原理計(jì)算了TSAG陶瓷中的反位缺陷與Sc取代缺陷的形成能與缺陷濃度，從實(shí)驗(yàn)與理論上闡明了Sc提升TAG陶瓷固溶范圍的機(jī)理。研究表明，隨著Sc2O3添加量逐漸增加至6wt.%，TSAG陶瓷中氧化鋁第二相的含量顯著降低，光學(xué)質(zhì)量明顯提升。XRD精修與理論計(jì)算結(jié)果均表明Sc可大量占據(jù)Tb與Al 16a兩種格位，因此有效地提升了TAG的固溶范圍。此外，研究發(fā)現(xiàn)添加6wt.% Sc2O3后，TSAG磁光陶瓷在633nm處的Verdet常數(shù)仍可達(dá)161.4 rad·T·m-1。通過(guò)組分優(yōu)化有望進(jìn)一步提升Verdet常數(shù)，直至接近純TAG磁光陶瓷。相關(guān)研究成果發(fā)表在Journal of Advanced Ceramics（2024,doi: 10.26599/JAC.2024.9220948），論文第一作者為上海硅酸鹽所博士研究生章立軒，通訊作者為上海硅酸鹽所李江研究員和胡辰副研究員。
經(jīng)過(guò)真空預(yù)燒結(jié)合HIP處理后所的TSAG磁光陶瓷的熱腐蝕表面FESEM形貌圖（a）0wt.%，（b）2wt.%，（c）4wt.%，（d）6wt.% Sc2O3添加量
計(jì)算所得TAG中（a）反位缺陷與（b）Sc取代缺陷的百分含量，與（c）不同Sc含量TSAG磁光陶瓷的晶胞參數(shù)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值
相關(guān)工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目重點(diǎn)專項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目政府間國(guó)際科技創(chuàng)新合作重點(diǎn)專項(xiàng)、中國(guó)科學(xué)院國(guó)際伙伴計(jì)劃、上海市“一帶一路”國(guó)際合作項(xiàng)目和上海市自然科學(xué)基金項(xiàng)目等的資助和支持。
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