Получение и исследование свойств керамик на основе лютеций-алюминиевого граната, легированного Yb, Er, Ce

Объектами исследования являлись керамические порошки на основе лютеций-алюминиевого граната, легированные катионами церия, иттербия и эрбия. Цель: создание научно-технического задела в области разработки технологий изготовления оптической и люминесцентной керамики LuAG с заданными свойствами и изделий на её основе. Применяемые методы и методики. Керамические порошки получены путем прокаливания при различных температурах прекурсоров, которые в свою очередь синтезируются методами обратного осаждения из солей металлов. Свойства образцов исследовались с помощью методов: сканирующей электронной микроскопии, рентгенофазового анализа, синхронного термического анализа, газовой адсорбции БЭТ, лазерной дифракции, энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии. Результаты 1 года работы: 1. Определены оптимальные температуры вакуумного спекания для составов LuAG: - Для LuAG:Ce - 1800 °С. На данной температуре вакуумного спекания эффективность фотолюминесценции керамики составила 309,48 Лм/Вт. - Для LuAG:Yb - 1850 °С. На данной температуре вакуумного спекания коэффициент светопропускания составил 83,5%. - Для LuAG:Er - 1850 °С На данной температуре вакуумного спекания коэффициент светопропускания составил 82,57%. Фотографии готовых образцов составов LuAG:Ce приведены на рисунке 10 в файле с дополнительными материалами. Образцы керамики составов LuAG:Yb и LuAG:Er представлены на рисунках 11 и 12 соответственно). 2. Были детально исследованы составы LuAG:Ce Lu2,98Ce0,02Al5O12, Lu2,93Ce0,07Al5O12, и Lu2,8Ce0,2Al5O12. Для данных составов было обнаружено, что - С ростом содержания корунда в составе керамического порошка растут температуры начала и конца усадки, а также температура максимальной скорости усадки, а значение максимальной линейной усадки, напротив, падает. - Остаточная пористость концентрируется в участках керамики, содержащей преимущественно кристаллиты корунда, как материала с большей температурой спекания (1750-1800 °С). Отсюда и значение максимальной усадки падает с ростом содержания корунда. - Включения второй более тугоплавкой второй фазы корунда препятствуют неконтролируемому росту зерен при температурах, близких к точке плавления материала (1800 °С) - Избыток алюминия в составе порошка приводит к более интенсивному встраиванию Ce3+ в додекаэдрическую позицию кристаллической решетки, на место Lu(3+), а значит, происходит незначительное смещение на 1,2 нм в красную область спектра люминесценции. При этом образец с содержанием корунда 10 ат.% показал максимальное большое пиковое значение интенсивности фотолюминесценции (равное 8951 отн.ед.). - Увеличение концентрации церия в составе LuAG: Ce способствует активации процессов спекания. По нашему мнению, это связано с активацией в керамическом материале диффузионных процессов за счет присутствия большего количества дефектов кристаллической решетки. - В пределах изученных составов и режимов вакуумного спекания наиболее яркая люминесцентная керамика LuAG: Ce может быть получена при концентрации активатора 0,02 ф.ед. и при температуре вакуумного спекания 1800 °С. - При внедрении церия в кристаллическую решетку LuAG происходит ее расширение, так как катионы церия (ri = 1.143 Å) имеют больший ионный радиус по сравнению с катионами лютеция (ri = 0.977 Å). В связи с этим для состава, в котором содержалось 0,07 ф.ед. церия, значение параметра кристаллической решетки было больше на 0,0049 Å. 3. Была выполнена оптимизация состава спекающих добавок для керамики LuAG:Yb и LuAG:Er. Обнаружено, что наибольшая прозрачность керамики достигается при использовании в качестве спекающей добавки оксида магния в концентрации 0,075 масс.%, как для LuAG:Yb, так и для LuAG:Er