【虚拟专辑】透明陶瓷与闪烁晶体(202409)

亚微米球形Y₂O₃粉体及其透明陶瓷的制备

刘焱, 覃显鹏, 甘霖, 周国红, 章天金, 王士维, 陈鹤拓

无机材料学报    2024, 39 (6): 691-696.

Y2O3以其优良的物理化学性质和在280 nm~8 μm宽频段内的高透明性, 而广泛应用于激光介质或光学窗口等领域。制备高透明的Y2O3陶瓷是目前的研究热点和难点, 而高质量的粉体是制备高透明Y2O3陶瓷的关键, 尿素均相沉淀法以其爆发成核和均匀可控的阴离子释放机制成为制备单分散颗粒的主要方法。本工作以硝酸钇和尿素为原料, 采用尿素均相沉淀法制备了单分散、亚微米级的球形Y2O3粉体。采用不同方法研究了Y2O3前驱体和煅烧后粉体的结构、物相演变和形貌。前驱体的颗粒尺寸约为330 nm, 800 ℃煅烧2 h得到的Y2O3粉体尺寸约为260 nm。在800 ℃煅烧后即可得到纯相的Y2O3粉体, 粉体呈球形, 分散性好, 且粒径均匀。以该Y2O3粉体为原料, 添加原子分数0.3%的Nb2O5为烧结助剂, 在1780 ℃通过真空无压烧结成功制备了透明Y2O3陶瓷。材料的光学性质优良, 即样品(厚度1 mm)的直线透过率在1100 nm处达到76.9%, 在400 nm处达到65.6%。本工作为制备性能优良的Y2O3透明陶瓷提供了一种新的方法。

点击阅读全文

MgF₂助剂对MgAl_1.9Ga_0.1O₄透明陶瓷的制备与光学性能的影响

吕朝阳, 徐勇, 杨久延, 涂广升, 涂兵田, 王皓

无机材料学报    2024, 39 (5): 531-538.

MgAl1.9Ga0.1O4透明陶瓷具有优异的光学性能, 其制备依赖于高质量坯体的凝胶注模成型和长时间的无压预烧。本研究选择MgF2为烧结助剂, 并通过瞬时液相调节无压预烧的致密化过程。采用干压成型、无压预烧和热等静压烧结制备了不同尺寸的MgAl1.9Ga0.1O4透明陶瓷样品, 并系统分析了MgF2对材料显微结构、光学和机械性能的影响。研究表明：MgF2在~1230 ℃熔化形成的液相促使陶瓷的致密度与晶粒尺寸增大, 后续烧结过程中残留的MgF2氧化为MgO并固溶进入MgAl1.9Ga0.1O4晶格。添加质量分数0.2% MgF2的2.04 mm厚透明陶瓷样品在紫外和可见光区域具有76.5%~83.4%的直线透过率和较高的光学质量。此外, 该陶瓷的特征抗弯强度为167.1 MPa, 与细晶MgAl2O4透明陶瓷相近, 但是前者的Weibull模数(8.81±0.29)更高。本研究为制备光学性能良好的大尺寸MgAl1.9Ga0.1O4透明陶瓷提供了新的选择。

点击阅读全文

透明AlON陶瓷凝胶浇注成型及其无压烧结制备

靳喜海, 董满江, 阚艳梅, 梁波, 董绍明

无机材料学报    2023, 38 (2): 193-198.

透明AlON具有优异的光学和力学性能, 应用前景广阔。但材料制备成本高昂, 限制了其应用发展。为解决上述问题, 本研究以透明AlON的凝胶浇注成型与无压烧结制备为核心目标, 就AlON细粉的低温合成及其抗水化处理展开重点研究。研究发现以有机聚合物包覆AlN/Al2O3为原料, 通过高温碳热-氮化工艺合成AlON, 可有效降低AlON的合成温度, 在1700 ℃即可合成近乎纯相的AlON粉体。所得粉体颗粒尺寸细小, 在亚微米级。通过对上述粉体进行聚氨酯包覆表面抗水化处理, 可大幅度提升其抗水化性能。即使历经长达72 h水中静置, 也不发生明显的水解。以此为基础, 通过凝胶浇注成型结合生坯的冷等静压后处理在1820~1850 ℃成功实现了透明AlON陶瓷的无压烧结制备。材料力学和光学性能优异, 其中1850 ℃烧结试样在紫外-中红外波段直线透过率达到83.1%~ 86.2%, 三点抗弯强度达到310 MPa。

点击阅读全文

真空反应烧结制备米级尺寸钇铝石榴石(YAG)透明陶瓷

汪德文, 王俊平, 袁厚呈, 刘章, 周进, 邓佳杰, 王鑫, 吴贲华, 章健, 王士维

无机材料学报    2023, 38 (12): 1483-1484.

透明陶瓷兼具高强度、高硬度和优异的光学性能, 在轻量化透明装甲领域具有重要的应用前景。制备大尺寸和高光学质量透明陶瓷部件是实现其应用的主要挑战。本工作采用国产商业Al2O3和Y2O3为起始原料, 通过真空反应烧结工艺制备钇铝石榴石(Y3Al5O12, 简称YAG)透明陶瓷, 突破了大尺寸素坯干压成型与脱黏、真空烧结及光学性能提升等关键技术, 成功研制了低变形量、高光学质量的YAG透明陶瓷, 并通过成型和烧结设备的升级改造, YAG透明陶瓷的最大可制备尺寸达到1040 mm×810 mm×15 mm, 为后期应用奠定了坚实基础。

点击阅读全文

Gd₂O₂S:Tb闪烁陶瓷的制备与结构: 水浴合成中H₂SO₄/Gd₂O₃摩尔比的影响

吴俊林, 丁继扬, 黄新友, 朱丹阳, 黄东, 代正发, 杨文钦, 蒋兴奋, 周健荣, 孙志嘉, 李江

无机材料学报    2023, 38 (4): 452-460.

Gd2O2S:Tb闪烁陶瓷以其明亮的绿色发光、高能量转换效率和高中子俘获截面而广泛应用于中子成像和工业无损检测等领域, 但Gd2O2S:Tb陶瓷中存在的Gd2O3第二相影响其闪烁性能。本工作以H2SO4和Gd2O3为原料, 采用水浴法合成Gd2O2S:Tb前驱体, 研究了H2SO4与Gd2O3的摩尔比(n)对前驱体和Gd2O2S:Tb粉体性能的影响。前驱体的化学组成随n增大而变化：2Gd2O3·Gd2(SO4)3·xH2O(n<2.00)、Gd2O3·2Gd2(SO4)3·xH2O (2.25≤n≤2.75)和Gd2(SO4)3·8H2O(n=3.00), 经过空气煅烧和氢气还原后, 所有的粉体均形成Gd2O2S相。Gd2O2S:Tb粉体的形貌与前驱体的相组成密切相关, 随着n增大, Gd2O2S:Tb粉体的XEL强度增加呈现出两个阶段, 对应前驱体的相转变阶段。采用真空预烧结合热等静压烧结制备了Gd2O2S:Tb陶瓷, 相较于n为2.00、2.25、2.50, 其他n制备的Gd2O2S:Tb陶瓷都达到了较高的相对密度和XEL强度, 不同n制备的陶瓷中都存在Gd2O3第二相, n增大有利于减少陶瓷内部的第二相, 为进一步消除Gd2O2S:Tb陶瓷中的第二相提供了思路。

点击阅读全文

Zr⁴⁺共掺对Cs₂LaLiBr₆:Ce晶体的中子/伽马甄别性能的影响

郑中秋, 魏钦华, 童宇枫, 唐高, 尹航, 秦来顺

无机材料学报    2024, 39 (5): 539-546. 

中子探测技术广泛用于国土安全、核材料安全检测以及高能物理等领域, 由于3He资源紧缺, 近年来急需开发出能够同时甄别中子/伽马的新型闪烁晶体, Cs2LaLiBr6:Ce(CLLB:Ce)晶体具有良好的中子/伽马甄别能力、优异的能量分辨率以及高的光输出, 但其中子/伽马甄别性能有待进一步提高。本研究采用垂直布里奇曼法成功生长了Zr4+共掺杂的CLLB:Ce晶体。通过不同表征手段研究了Zr4+共掺杂CLLB:Ce晶体的结构和组分, 结果表明Zr4+成功掺入基质材料且对基质晶体结构不产生明显的影响, Zr4+共掺杂后没有产生新的发光中心, 紫外衰减时间约为27.0 ns, 仍具有较快的荧光衰减。Zr4+共掺杂CLLB:Ce晶体的品质因子(Figure of Merit, FOM)从1.2提高到1.5, 表明其中子/伽马甄别能力得到改善。结合热稳定性和闪烁衰减时间, 探讨了衰减时间对FOM的影响机制, Zr4+共掺杂可以抑制浅电子陷阱和Vk中心, 减少电子捕获和脱陷过程, 使Ce3+直接捕获的概率大大增加, 从而表现出更快的衰减速率。本研究显示, Zr4+共掺杂CLLB:Ce晶体在中子/伽马探测领域具有潜在的应用前景。

点击阅读全文

Dy³⁺掺杂SrGdGa₃O₇晶体的晶体生长, 结构、光学和可见光荧光特性

王海东, 王燕, 朱昭捷, 李坚富, LAKSHMINARAYANA Gandham, 涂朝阳

无机材料学报    2023, 38 (12): 1475-1482.

采用Chzochralski方法成功生长了Dy3+掺杂的SrGdGa3O7晶体, 并对其结构和光学特性进行了详细研究。基于XRD数据, 采用Rietveld法优化了晶体的晶格参数。分析了Dy: SrGdGa3O7晶体的偏振吸收谱、偏振发射谱和荧光衰减曲线。在452 nm处, π偏振和σ偏振对应的吸收截面分别为0.594×10-21和0.555×10-21 cm2。计算得到的有效J-O强度参数Ω2、Ω4和Ω6分别为5.495×10-20、1.476×10-20和1.110×10-20 cm2。J-O理论分析和荧光光谱表明: 在452 nm激发下, Dy: SrGdGa3O7晶体4F9/2→6H13/2跃迁在可见光波段具有最高的荧光分支比和荧光强度, 在574 nm处的π和σ偏振发射截面分别为1.84×10-21和2.49×10-21 cm2。Dy3+: 4F9/2能级的辐射寿命和荧光寿命分别为0.768和0.531 ms, 量子效率为69.1%。研究结果表明: Dy3+: SrGdGa3O7晶体是一种潜在的可用于蓝光LD泵浦实现黄激光的材料。

点击阅读全文

铈掺杂硼酸钙镧晶体的生长与性能研究

李悦, 张旭良, 景芳丽, 胡章贵, 吴以成

无机材料学报    2023, 38 (5): 583-588.

硼酸钙镧晶体是一种激光基质晶体, 以其优秀的物理特性而受到广泛关注。稀土离子掺杂的硼酸钙镧晶体在紫外激光器领域的研究尚不多见。本研究采用顶部籽晶法成功生长出尺寸为40 mm×21 mm×6 mm的铈掺杂硼酸钙镧晶体。研究了铈掺杂硼酸钙镧晶体室温光谱性质, 测量了室温下其透过光谱以及紫外-吸收光谱, 发现铈离子掺杂导致晶体在200~288 nm以及305~330 nm紫外波段吸收较强。测试了室温下铈掺杂硼酸钙镧晶体的激发光谱, 并且利用波长260 nm的连续光激发得到发射光谱, 发现主要发射带中心波长位于290, 304, 331和353 nm处, 对应于铈离子5d态到2F5/2和2F7/2态的跃迁。对铈掺杂硼酸钙镧晶体的热学性质进行了研究, 发现其在300 K下具有较高的热导率(6.45 W/(m·K)), 且随着温度升高保持良好的热稳定性。358 K条件下, 热膨胀系数及c方向的晶格常数分别为2.94×10-6 /K和0.91240 nm, 随着温度升高至773 K，线性增加到5.3×10-5 /K和0.91246 nm。研究结果表明：铈掺杂硼酸钙镧晶体具有良好的光学性能和热稳定性, 适合应用于紫外激光领域。

点击阅读全文

低成本溶液法制备厘米级Cs₃Cu₂I₅单晶及其闪烁发光性能

徐婷婷, 李云云, 王谦, 王京康, 任国浩, 孙大志, 吴云涛

无机材料学报    2022, 37 (10): 1129-1134.

近年来, 拥有高发光量子效率的低维钙钛矿/类钙钛矿结构金属卤化物在辐射探测领域展现出潜在的应用前景。本工作利用反溶剂扩散法生长了高光学质量的厘米级尺寸零维结构Cs3Cu2I5单晶, 并系统研究了其光学吸收、透过、光致激发和发射、时间分辨光致发光、X射线辐照发光、余辉、热释光以及伽马射线探测性能。溶液法制备的Cs3Cu2I5晶体的光学带隙为3.68 eV。在X射线激发下, Cs3Cu2I5单晶的蓝光发射峰位于448 nm, 来源于自陷激子发光。闪烁衰减时间主分量为947 ns (96%)。Cs3Cu2I5单晶的余辉水平与商用BGO晶体相当。此外, 该晶体作为伽马射线闪烁体也表现出29000 photons/MeV的高光产额, 与熔体法制备的Cs3Cu2I5晶体闪烁性能相当。本研究证实了低成本制备高性能Cs3Cu2I5闪烁晶体的可行性。

点击阅读全文

Mg共掺杂Gd₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce晶体快发光的作用机理

李铭清, 王林伟, 丁栋舟, 冯鹤

无机材料学报    2022, 37 (10): 1123-1128.

Gd3(Al,Ga)5O12:Ce (GAGG:Ce)闪烁体综合性能优异, 应用前景广阔。为加快GAGG的发光衰减速度, 本研究通过提拉法生长了Mg共掺的Gd3(Al,Ga)5O12:Ce单晶。测试结果显示, 随着Mg2+掺杂浓度增加, 晶体的闪烁衰减速度加快, 光输出降低。传统解释认为, Mg2+通过电荷补偿作用将部分Ce3+转换成Ce4+, 后者的发光速度更快。本研究尝试从缺陷的形成与抑制的角度来讨论Mg改善GAGG:Ce晶体闪烁性能的作用机理。由于Ce的离子半径比Gd大, Ce离子掺入将导致发光中心CeGd附近的晶格发生畸变。畸变结果为近邻的八面体格位空间变大, 反位缺陷将更容易在这些变大的八面体格位形成。最终每个发光中心CeGd被四个反位缺陷GdAl包裹, 后者捕获载流子, 延缓从基体到发光中心的能量传递, 导致发光速度变慢。由于Mg的离子半径介于Gd和Al之间, MgAl将更容易在上述畸变的八面体格位形成, 这会抑制反位缺陷GdAl在发光中心CeGd附近形成(或富集), 最终降低(甚至消除)反位缺陷对发光中心的不良影响。XEL测试结果显示, 随着Mg掺杂量增大, 与反位缺陷相关的发射峰强度变弱, 这可以证明Mg对反位缺陷有抑制作用。

点击阅读全文