掺钕钇铝石榴石透明陶瓷的微观结构和制备.doc

中文译文掺钕钇铝石榴石透明陶瓷的微观结构和制备摘要 掺钕钇铝石榴石透明陶瓷具有不同的微观结构，是通过高纯度的固态粉末反应制备的实验已经证实了晶粒尺寸和晶界对制备的掺钕钇铝石榴石透明陶瓷透过率的影响我们的研究结果证实，掺钕钇铝石榴石陶瓷的光学散射损失主要是由于孔隙的存在晶粒尺寸不影响透过率，有相同组成的晶界对于掺钕钇铝石榴石透明陶瓷整体的透射率影响很小关键词:掺钕钇铝石榴石透明陶瓷；粒度；晶粒阶段；晶体孔隙1、介绍最近，由于透明陶瓷在固体激光，医疗器械和光电设备中的重要应用，透明陶瓷的研究已经引起了相当大的关注随着透明陶瓷在激光方面获得主体结构的应用，科学家对掺钕钇铝石榴石透明陶瓷进行了深入的研究掺钕钇铝石榴石单晶具有高断裂强度、良好的化学稳定性，良好的热和光学性质它被广泛用作固体激光器增益主机无论如何，生产单晶掺钕钇铝石榴石的缺点是：它不仅需要很长时间才能生长晶体，而且其尺寸也很难长大掺钕钇铝石榴石透明陶瓷生产中并没有这些缺点此外，在制备复合陶瓷中，由于先进的陶瓷制造技术使得多功能激光的发展成为可能到目前为止各种透明掺钕钇铝石榴石陶瓷制作技术和程序已被报导在1980 年代,DeWith 和 VanDijk,和 Seketa et al.被报导正致力于制造掺钕钇铝石榴石透明陶瓷，尽管当时只是半透明陶瓷。

1995 年,Ikesue et al.首先展示了透明的Nd:YAG 在激光应用中的陶瓷在 2000 年代早期 et al. 使用粉末沉淀制造大量的 Nd:YAG 陶瓷棒,实现了高效和高功率激光发射器人们普遍认为，为了获得透明陶瓷，纯相、大晶粒尺寸和一些孔隙是制备透明陶瓷的关键要求然而，最近 A. Ikesue 等研究了光学散射 Nd:YAG 透明陶瓷他们发现光散射是完全由孔隙造成陶瓷晶界的存在与光学散射没有关系在这片文章中拥有不同显微结构的掺钕钇铝石榴石透明陶瓷是由高纯度的氧化铝、Y 2O3 和稀土氧化物粉末作为起始原料通过固态烧结的方法制备的晶粒尺寸、晶界和孔隙对结合陶瓷透射率的影响已经进行了研究我们展示了晶界的存在仅仅对陶瓷的透射率有很小的影响2、实验程序氧化铝、Y 2O3 和稀土氧化物粉末作为反应原料我们用碳酸氢铵和氨作为除尘剂通过共同沉淀合成了稀土氧化物掺杂 Y2O3 纳米粉末为了制作样本,粉末需要称重以符合(Y,RE) 2 O3 比氧化铝的比率为 3:5氧化铝和稀土掺杂 Y2O3纳米粉体混合 0.5 wt %原硅酸四乙酯(TEOS)作为烧结酸混合物后再与高纯氧化锆球磨 15 h。

然后磨浆在 70℃环境下蒸发 24 小时磨粉在 200 MPa 均压下压成直径 20 毫米的薄片最后压片在高真空火炉真空( ～ 1.2×10-3 Pa)环境下，在1760℃温度环境下烧结 6 h 和在 1500℃ 高温和大气压环境下退火 10 小时在用 x 射线衍射仪(XRD、模型 D / max - 2550 v,Rigaku 有限公司·东京·日本) 使用镍辐射 CuKα辐射在 2θ从 10 o - 70 o 的范围内确定了烧结样品的相组成通过烧结后样品的微观结构的观察和电子探针分析(赋存状态、模型jxa - 8100,JEOL 有限公司日本)以及能量分散能谱(EDS)分析和高分辨率透射电子显微镜(HRTEM) 探测,（模型 JEM-2010/2100F JEOL 有限公司·日本)镜面抛光样品的透射光谱(1 毫米厚度) 通过分光光度计（模型卡里 500 扫描；Vavian 有限公司·美国）测定波长从 200 到 2000nm3、结果和讨论晶粒尺寸、晶界和孔隙通常被认为是影响陶瓷透射率的主要因素如果孔隙的分布是随机的，晶粒尺寸越大透射率越高图 1 显示了一个比较微观结构的掺钕钇铝石榴石陶瓷构造（分别由 Konishima 公司；这篇文章的作者和 A . Ikesue 等提供） 。

显然,在样本中不存在气孔和晶界相显示的样品的晶粒尺寸约为 1.5、 10 和 50μm尽管他们粒度有差异所有三掺钕钇铝石榴石样品的透射率在 1064 nm 能达到 80%以上，靠近理论透过率 83.8%结果清楚地证实了 Ikesus et al.的结论：透明陶瓷的光学透过率与晶粒尺寸的关系不大虽然晶粒大小确定其晶界的长度，但晶界的长度和光学散射没有关系影响光学散射强度的是晶粒间界的厚度只要两个颗粒边界厚度远小于光学波长长度，晶界对光散射的影响就可以忽略图 1 微观结构(a) Konishima Company (b) SICCAS(c) Ikesue图 2(a)展示了掺钕钇铝石榴石透明陶瓷样品制作图 2(b)是 1 毫米厚度(测量)的光学透过率与示例样品的光学透过率在 1064nm 可以达到 78.5%图 2 b 的吸收峰是由于样品过渡掺杂 Er3 +离子造成的图 2 (a)和(b) 透射照片掺钕钇铝石榴石:Yb,Er 透明陶瓷如图 3 所示，从掺钕钇铝石榴石的样本图像中,可以看出,陶瓷的晶粒尺寸相当均匀：平均约 10μm的大小然而，EDS 的掺钕钇铝石榴石透明陶瓷显示，氧化铝的晶粒相界存在于样品。

因此得出结论:掺钕钇铝石榴石透明陶瓷仍然可以获得，即使氧化铝的晶界存在于陶瓷中图 3 掺钕钇铝石榴石透明陶瓷氧化铝晶界的 EPMA 和 EDS 图像图 4(a)和(b)展示了照片和 YAG:Yb 透明陶瓷样品的透视光谱从图 4(b),可以看到，掺钕钇铝石榴石陶瓷(1 毫米厚度)的透射率在 1064nm 可达 78.7此外，当薄片放在人的眼前时，我们肉眼可以透过抛光薄片看到 3 到 4 米范围内的事物图 4 图片(a)和(b) YAG:Yb 透明陶瓷的透射率图 5 中的状态图像显示的示例包括一个界限明确的显微组织结构：有一个统一的约 20μm大小的晶体分布此外，没有观察到毛孔然而，表伴随图 5表明,晶粒间隙相是由 85 wt % Y2O3 和 15 wt %氧化铝组成的，暗示 Y2O3 晶界的存在为解释上述结果我们注意到，特别的，氧化铝的折射率和 Y2O3 的晶粒间隙分别为 1.70～1.80 和 1.89，这和附近的掺钕钇铝石榴石(1.82)主体接近基于光学理论主体和晶粒间隙相间的折射率之差的越低学散射越低，透射率越高因此，小部分光线会被晶界散射掉图 5 Y2O3 的掺钕钇铝石榴石透明陶瓷的晶粒间隙电子探针和 EDS 图像图 6 掺钕钇铝石榴石透明陶瓷烧结在 1760℃温度下烧结 6 个小时的 X 射线光谱我们也根据Y 2O3和Al 2O3粉末的化学计量数Y 3Al5O12 制作了掺钕钇铝石榴石透明陶瓷。

图六是陶瓷在1760℃温度下烧结6小时的X射线光谱可以看出样本基本上是符合掺钕钇铝石榴石陶瓷x射线衍射标准的，并没有观察到其他杂质图 7(a)和(b)展示了由 Y2O3 和 Al2O3 粉末的化学计量数按 Y3Al5O12 配制的样本晶界的热侵蚀表面的微观结构和高分辨透射电子显微镜图片从图 7(a)可以看到：陶瓷的晶粒大小均匀，大约 10μm并没有观察到的晶粒间隙和孔隙在图 7(b)中由高分辨透射电子显微镜拍摄晶界的样本表明,晶界约 1nm，这是相当小的标签一显示了在能谱仪拍摄下的样本的晶粒和晶界间隙图 7 (a)热侵蚀表面的显微结构 (b)样品在 1760℃烧结 6 个小时的高分辨透射电子显微镜拍摄下的晶界点 X 和 Y 分别表示晶粒和晶界晶粒和晶界的成分几乎和理论值相同，表明没有存在于掺钕钇铝石榴石陶瓷的晶界相表一 元素在晶粒和晶界的分布 (wt %)图 8(a)和(b)展示了无晶界间隙相透明陶瓷 YAG:Er 透射率曲线图从图 8(b),可以看到掺钕钇铝石榴石陶瓷(厚度 1 毫米)的透射率在 1064nm 为 81.8%，这仅高于具有晶粒间隙相陶瓷的 3%(图 2(b)和图 4(b))。

图 8 图片(a)和(b)分别为透明陶瓷 YAG:Er 图片和透过率曲线图实验结果表明：晶粒间距并不显著降低陶瓷的透射率吸收高峰集中在381、488、524、647、788、969 和 1532 纳米Er 3+离子分别从 4G11/2 基态转换至 4F7/2, 2H11/2， 4F9/2, 4I9/2, 4I11/2 和 4I13/2 激发态4、结论从目前实验获得的重要成果总结如下:(1)晶粒尺寸没有影响透射掺钕钇铝石榴石透明陶瓷2)氧化铝和 Y2O3 的晶界略微影响掺钕钇铝石榴石透明陶瓷的透射率,而且主体和晶界的折射率越小其透射率越高3)掺钕钇铝石榴石透明陶瓷(1 毫米厚度) 在 1064 纳米透射率为 81.8%样本包括一个晶粒尺寸大约 10μm微观结构的明确分布,而且没有观察到孔隙和晶粒间隙相。