Статья 9114

Название статьи

СИНТЕЗ, СТРУКТУРА И СПЕКТРАЛЬНО-ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА МАГНИЙ-АЛЮМОСИЛИКАТНОЙ СТЕКЛОКЕРАМИКИ, АКТИВИРОВАННОЙ ИОНАМИ НИКЕЛЯ

Авторы

Нищев Константин Николаевич, кандидат физико-математических наук, доцент, кафедра общей физики, директор Института физики и химии, Мордовский государственный университет имени Н.П.Огарева (Россия, г. Саранск, ул. Большевистская, 68), nishchev@inbox.ru
Панов Андрей Александрович, аспирант, Мордовский государственный университет имени Н.П.Огарева (Россия, г. Саранск, ул. Большевистская, 68), aapanov@yandex.ru
Заикин Артем Игоревич, аспирант, Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарева
(Россия, г. Саранск, ул. Большевистская, 68), artem_zaikin@hotmail.com

Индекс УДК

5.33.34; 535.37; 548.73

Аннотация

Актуальность и цели. Стеклокерамика (СК) более 50 лет привлекает исследователей своими уникальными физическими свойствами. Основным способом получения прозрачной СК с наноразмерными включениями является термическая обработка исходного оптического стекла, прерванная на определен-ной стадии. Совместное исследование СК методами рентгенофазового анализа, малоуглового рентгеновского рассеяния и оптической спектроскопии позволяет детально изучить протекающие процессы нуклеации и фазового разделения. Целью данной работы является получение прозрачной магний-алюмосиликатной СК, активированной ионами Ni2+, и исследование ее физических свойств.
Материалы и методы. В качестве основы для получения стеклокерамики использовалось магний-алюмосиликатное стекло, синтезированное из шихты состава 28MgO–10Al2O3–8TiO2–xGa2O3–(54–x) SiO2+yNiO мол.%, где (x = 0, 3, 5; y = 0,001, 0,01, 0,1). Для создания наноструктурированной стеклокерамики ос-нова была подвергнута последовательному высокотемпературному отжигу
в течение 2–5 ч при температурах: 720, 740, 760 и 780 °С. Определение фазового состава образующихся кристаллитов проводилось на дифрактометре PANanalitical Empyrean. Измерения спектров поглощения осуществлялись на двухлучевом спектрофотометре Perkin Elmer Lambda 950. Для исследования структурных особенностей стеклокерамики методом малоуглового рентгеновского рассеяния использовался дифрактометр Hecus S3-MICRO.
Результаты. В работе представлены результаты исследования процессов образования кристаллической фазы в магний-алюмосиликатной СК, активированной ионами Ni2+, в процессе последовательной высокотемпературной обработки. Установлено, что добавление Ga2O3 в стекольную матрицу приводит к подавлению кристаллической фазы алюмотитаната магния и увеличению объема фазы алюмомагниевой шпинели. Показано, что с ростом температуры изохронного отжига возрастает концентрация кристаллической фазы в стекле, при этом радиус инерции неоднородностей увеличивается от 20 до 120 Å. Уменьшение концентрации оксида никеля приводит к увеличению радиуса инерции рассеивающих областей. Полученная СК обладает широким спектром люминесценции с максимумом в области 1300–1400 нм, полуширина контура люминесценции составляет 350 нм.
Выводы. Получена прозрачная наноструктурированная СК на основе магний-алюмосиликатной стеклокерамики, активированной ионами Ni2+. Изучено влияние оксида галлия на кинетику выпадения кристаллической фазы в стекле. Показано, что СК, полученная при контролируемой термообработке исследуемых стекол, обладает широким спектром люминесценции с максимумом в области 1300–1400 нм, совпадающим с окном прозрачности теле-коммуникационных волоконных световодов.

Ключевые слова

оптические стекла, стеклокерамика, изохронный отжиг, наноразмерные кристаллиты, малоугловое рентгеновское рассеяние, оптические спектры поглощения, люминесценция.

Скачать статью в формате PDF
Список литературы

1. Duke, D. A. Glass-ceramics for high precision reflective-optic applications / D. A. Duke, G. A. Chase // Apllied Optics. – 1968. – Vol. 7, № 5. – P. 813–818.
2. Petzoldt, J. Chemistry and structure of glass-ceramic materials for high precision op-tical applications / J.Petzoldt, W. Pannhorst // Journal of Non-Crystalline Solids. – 1991. – Vol. 129, № 1. – P. 191–198.
3. Samson, B. N. Efficient neodymium-doped glass-ceramic fiber laser and amplifier / B. N. Samson, P. A. Tick, N. F. Borrelli // Optics Letters. – 2001. – Vol. 26, №. 3. – P. 145–147.
4. Lipinska-Kalita, K. E. Raman and spectroscopic studies of the early steps of crys-tallization in ZrF4-LaF3-AlF3-ErF3 glass / K. E. Lipinska-Kalita, F. Auzel, P. Santa-Cruz // Journal of Non-Crystalline Solids. – 1996. – Vol. 204, № 2. – P. 188–195.
5. Auzel, F. A new Er3+-doped vitreous fluoride amplification medium with crystal-like cross-sections and reduced inhomogeneous line width / F. Auzel, K. E. Lipinska-Kalita, P. Santa-Cruz // Optical Materials. – 1996. – Vol. 5, № 1. – P. 75–78.
6. Wang, Y. New transparent vitroceramics codoped with Er3+ and Yb3+ for efficient frequency upconversion / Y. Wang, J. Ohwaki // Apllied Physics Letters. – 1993. – Vol. 63, № 24. – P. 3268–3270.
7. Tick, P.A. Transparent glass ceramics for 1300 nm amplifier applications/P.A. Tick, N.F. Borrelli, L.K.Cornelius, M. A. Newhouse // Journal Applied Physics. – 1995. – Vol. 78, № 11. – P. 6367–6374.
8. Tikhomirov, V. K. On a qualitative model for the incorporation of fluoride nano-crystals within an oxide glass network in oxy-fluoride glass-ceramics / V. K. Tikhomi-rov, A. B. Seddon, M. Ferrari, M. Montagna, L. F Santos, R. M. Almeida // Journal of Non-Crystalline Solids. – 2004. – Vol. 337, № 2. – P. 191–195.
9. Nemova, G. Laser cooling with Tm3+-doped oxy-fluoride glass ceramic / G. Ne-mova, R. Kashyap // Journal of the Optical Society of America B. – 2012. – Vol. 12, № 11 – P. 3034–3038.
10. Seznec, V. Preparation and luminescence of new Nd3+ doped chloro-sulphide glass–ceramics / V. Seznec, H. L. Ma, X. H. Zhang, V. Nazabal, J.-L. Adam, X. S. Qiao, X. P. Fan // Optical Materials. – 2006. – Vol. 29, № 4 – P. 371–376.
11. Lin, C. Mechanism of the enhancement of mid-infrared emission from GeS2-Ga2S3 chalcogenide glass-ceramics doped with Tm3+ / C. Lin, S. Dai, C. Liu, B. Song, Y. Xu, F. Chen, J. Heo // Applied Physics Letters. – 2012. – Vol. 100, № 23. – P. 231910–231914.
12. Komatsu, T. Transparent tellurite-based glass-ceramics with second harmonic gen-eration / T. Komatsu, H. G. Kim, K. Shioya, K. Matusita, K. Tanaka, K. Hirao // Journal of Non-Crystalline Solids. – 1996. – Vol. 208, № 3 – P. 303–307.
13. Guignard, M. Chalcogenide glass-ceramics for second harmonic generation / M. Guignard, V. Nazabal, H. L. Ma, X. H. Zhang, H. Zeghlache, G. Martinelli, Y. Quiquempois, F.Smektala // European Journal of Glass Science and Technology Part B. – 2007. – Vol. 48, № 1. – P. 19–22.
14. Borrelli, N. F. Electro-optic effects in transparent niobate glass-ceramic systems / N. F. Borrelli // Journal Applied Physics. – 1967. – Vol. 38, № 11. – P. 4243–4247.
15. Zhilin, A. A. Vitreous materials for electrooptics / A.A. Zhilin, G.O. Karapetyan, A.A. Lipovskii, L.V. Maksimov, G. T. Petrovskii, D. K. Tagantsev// Glass Physics and Chemistry.–2000.–Vol. 26,№ 3.– P.242–246.
16. Andrews, L. J. Luminescence of Cr3+ in mullite transparent glass ceramics / L. J. Andrews, G. H. Beall, A. Lempicki // Journal of Luminescence. – 1986. – Vol. 36, № 2. – P. 65–74.
17. Doenitz, F.-D. The coordination of NiII in glasses and glass-ceramics of the system MgO-Al2O3-SiO2 / F.-D. Doenitz, C. Russ, W. Vogel // Journal of Non-Crystalline Sol-ids. – 1982. – Vol. 53, № 3 – P. 315–324.
18. Kuleshov, N. V. Absorption and luminescence of tetrahedral Co2+ ion in MgAl2O4 / N. V. Kuleshov, V.P.Mikhailov, V. G. Scherbitsky, P. V. Prokoshin, K. V. Yumashev // Journal of Luminescence. – 1993. – Vol. 55, № 5–6. – P. 265–269.
19. Donegan, J. F. The optical spectroscopy of LiGa5O8: Ni2+ / J. F. Donegan, F. J. Bergin, T. J. Glynn, G. F. Imbusch, J. P. Remeika // Journal of Luminescence. – 1986. – Vol. 35, № 1. – P. 57–63.
20. Petricevic, V. Laser action in chromium-activated forsterite for near infrared excitation / V. Petricevic, S. K. Gayen, R. R. Alfano // Applied Optics. – 1988. – Vol. 27, № 20. – P. 4162–4163.
21. Kuleshov, N. V. Spectroscopy and excited-state absorption of Ni2+-doped MgAl2O4 / N. V. Kuleshov, V. G. Shcherbitsky, V. P. Mikhailov, S. Kück, J. Koetke, K. Petermann, G. Huber // Journal of Luminescence. – 1997. – Vol. 71, № 4. – P. 265–268.
22. Stookey, S. D. Catalyzed crystallization of glass in theory and practice / S. D. Stookey // Journal of Industrial & Engineering Chemistry. – 1959. – Vol. 51, № 7, P. 805–808.
23. Hummel, F. A. Thermal expansion properties of some synthetic lithia minerals / F. A. Hummel // Journal of the American Ceramic Society. – 1951. – Vol. 34, № 8. – P. 235–239.
24. Beall, G. H. Glass-Ceramic Technology / G. H. Beall, D. A. Duke // Glass Science and Technology / ed. D.R.Uhlmann, N. J. Kreidl. – 1983. – Vol. 1. – P. 404–445.
25. Справочник по производству стекла. Т. 2 / под ред. И. И. Китайгородского и С. И. Сильвестровича. – М. : Госстройиздат, 1963 – 820 c.
26. Порай-Кошиц, Е. А. О ликвации и субмикронеоднородной структуре стекол системы B2O3–SiO2 / Е.А. Порай-Кошиц, Т. Н. Василевская, В. В. Голубков // Физика и химия стекла. – 1980. – Т. 6, № 1. – С.51–59.
27. Голубков, В. В. Проблема неоднородного строения стекол / В. В. Голубков // Физика и химия стекла. – 1998. – T. 24, № 3. – С. 289–304.
28. Голубков, В. В. Исследование кинетики фазового распада в стеклах системы LI2O-AL2O3-SiO2-TiO2 методом РМУ / И. П. Алексеева, В. В. Голубков, Т. И. Чуваева // Физика и химия стекла. – 1981. – T. 7, №1. – С. 47–54.
29. Голубков, В. В. Фазовое разделение в стеклах системы Mg(Ca, Zn)O–Al2O3–SiO2–TiO2(ZrO2) и их кристаллизация по данным рентгеновского рассеяния под малыми углами / В. В. Голубков, Бек Донг Су, О. С. Дымшиц, А. А. Жилин, Т. И. Чуваева //Физика и химия стекла.–1997.– T.23, № 4.–С.374–388.
30. Samson, B. N. Nickel-doped nanocrystalline glass-ceramic fiber / B. N Samson, L. R. Pinckney, J. Wang, G. H. Beall, N. F. Borelli // Optic Letters. – 2002. – Vol. 27, № 15. – P. 1309–1311.
31. Wu, B. Enhanced luminescence from transparent Ni2+-doped MgO–Al2O3–SiO2 glass ceramics by Ga2O3 addition / B. Wu, S. Zhou, J. Ren, Y. Qiao, D. Chen, C. Zhu, J. Qiu // Journal of Physics and Chemistry of Solids. – 2008. – Vol. 69, № 4. – P. 891–894.
32. Dymshits, O. S. Influence of NiO on phase transformations and optical properties of ZnO–Al2O3–SiO2 glass–ceramics nucleated by TiO2 and ZrO2. Part II. Optical absorption and luminescence / P. A. Loiko, O. S. Dymshits, A. A. Zhilin, I. P. Alekseeva, K. V. Yumashev // Journal of Non-Crystalline Solids. – 2013. – Vol. 376, № 4. – P. 99–105.
33. Sigaev, V. N. Nickel-assisted growth and selective doping of spinel-like gallium ox-ide nanocrystals in germano-silicate glasses for infrared broadband light emission / V. N. Sigaev, N. V. Golubev, E. S. Ignat’eva, V. I. Savinkov, M. Campione, R. Lorenzi, F. Meinardi, A. Paleari // Nanotechnology. – 2012. – Vol. 23, № 1. – P. 015708–015715.
34. Wu, B. Broadband infrared luminescence from transparent glass-ceramics containing Ni2+-doped β-Gа2O3 nanocrystals / В. Wu, S. Zhou, J. Ren, D. Chen, X. Jiang, C. Zhu, J. Qiu // Appl. Phys. B. – 2007. – Vol. 87, № 4. – P. 697–699.
35. Химическая технология стекла и ситаллов / Н. М. Павлушкина. – М. : Стройиздат, 1983. – 429 с.
36. Нанокристаллические материалы / А. И. Гусев, А. А. Ремпель. – М. : Физматлит, 2000. – 224 с.
37. Голубков, В. В. О фазовом разделении и кристаллизации стекол системы MgO-Al2O3-SiO2-TiO2 / В. В. Голубков, О. С. Дымшиц, А. А. Жилин // Физика и химия стекла. – 2003. – Vol. 29, № 3. – P. 359–377.

 

Дата создания: 23.07.2014 11:54
Дата обновления: 23.07.2014 13:55