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上海硅酸鹽所在鋱鎵石榴石基磁光陶瓷研究方面取得系列進展
2019-11-06 17:32:17 | 【 【打印】【關閉】

  鋱鎵石榴石(Tb3Ga5O12TGG)在可見及近紅外波段具有較高的Verdet常數、優異的光學性能、高的熱導率和激光損傷閾值,上述優點都使TGG成為了光隔離器用的重要磁光材料。TGG單晶在制備過程中會產生氧化鎵揮發而影響其晶體質量,且難以獲得大尺寸單晶。相較而言,TGG陶瓷可以在較低的燒結溫度及多樣化的燒結機制下實現透明化,能夠有效避免晶體生長中的氧化鎵揮發等諸多問題,從而獲得高質量的磁光陶瓷。另外陶瓷還具有易于制備大尺寸材料、斷裂韌性高、制備周期短等優勢。因此,TGG磁光陶瓷具有良好的應用前景。 

  近日,中國科學院上海硅酸鹽研究所李江研究員帶領的透明與光功能陶瓷研究課題組在鋱鎵石榴石基磁光陶瓷研究中取得進展。該團隊以共沉淀法合成的1.0at% Ce:TGG納米粉體為原料,再結合空氣燒結及熱等靜壓后處理(HIP)技術制備得到了性能優異的Ce:TGG陶瓷。該陶瓷1064 nm處的直線透過率達到了81.7%,且在632.8 nm處的Verdet常數達到-143.4 rad·T-1·m-1比商用TGG晶體提高了5%。相關研究成果發表于國際期刊Scripta MaterialiaScripta Mater., 2019, doi: 10.1016/j.scriptamat.2019.10.023,論文第一作者為上海硅酸鹽所博士研究生李曉英,通訊作者為李江研究員。該研究工作獲得了審稿人的高度評價,審稿人認為“The ceramic optical quality is excellent and the research content can be a supplement for the development of high-performance magneto-optical materials”。 

  目前國際上僅有日本神島化學公司制備的TGG磁光陶瓷可以滿足高功率激光器用光隔離器的應用要求,但制備細節尚不明確,亟待打破技術壁壘。近年來,李江研究員團隊與江蘇大學材料學院劉強教授合作開展了關于TGG磁光陶瓷的研究工作,并取得了系列研究成果。該團隊自主合成了高質量的TGG納米粉體,并通過優化合成工藝對粉體的組分、形貌和團聚狀態等進行了調控Opt. Mater., 2019, 90: 26-32J. Inorg. Mater., 2019, 34(7): 791-796。優化后的TGG粉體為純立方相,且具有良好的分散性和燒結活性,適用于后續TGG磁光陶瓷的燒結。考慮到氧化鎵的揮發,該團隊采用兩步燒結法制備了具有優良光學質量和磁光性能的TGG透明陶瓷。該TGG陶瓷在1064 nm處的直線透過率達到了80.3%(接近其理論透過率),且表現出可與單晶(-134 rad·T-1·m-1)相比擬的磁光性能,其在632.8 nm處的Verdet常數約為-136 rad·T-1·m-1相關研究成果發表于國際期刊Optical Material上(Opt. Mater., 2019, 62: 205-21),同時這是國內首次報道的以自主合成的TGG粉體為原料所制備的高性能TGG磁光陶瓷。 

  以上系列研究工作得到中國科學院前沿科學重點研究計劃項目(院青年拔尖人才項目)、國家自然科學基金項目、國家重點研發計劃項目、中國科學院上海硅酸鹽研究所重點學科建設項目等資助。 

Ce:TGG磁光陶瓷的實物照片與直線透過率曲線

不同溫度制備的TGG磁光陶瓷的實物照片(a)與直線透過率曲線(b

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