Ein Team von Materialwissenschaftlern unter der Leitung von Jiang Li vom Shanghai Institute of Ceramics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Shanghai, China, berichtete kürzlich über magnetooptische Keramiken mit hoher optischer Qualität (Tb1-xYx)3Al5O12. Die optische Durchlässigkeit, Mikrostruktur, Verdet-Konstante und Wärmeleitfähigkeit von (Tb1-xYx)3Al5O12 mit unterschiedlichem Y-Gehalt wurden detailliert untersucht.
Es wurde festgestellt, dass Y2O3 die sekundäre Phase unterdrücken und die optische Qualität von TAG-Keramiken verbessern kann. Da die optische Qualität einen der wichtigsten Aspekte der praktischen Leistung magnetooptischer Keramiken darstellt, gilt Y2O3 als vielversprechender und wirksamer Zusatzstoff.
Das Team veröffentlichte seinen Forschungsartikel in Zeitschrift für moderne Keramik am 30. April 2024.
In Hochleistungslasergeräten sind Faraday-Isolatoren eine der wichtigen Komponenten, die das Front-End-System vor Störungen und Schäden durch einen zurückreflektierten Strahl schützen können. Magnetooptische Materialien werden daher umfassend untersucht, da sie Schlüsselelemente von Faraday-Isolatoren sind.
Unter den magnetooptischen Materialien, die im sichtbaren bis nahen Infrarot-Wellenlängenbereich eingesetzt werden, gelten TAG-Keramiken dank ihrer hohen Verdet-Konstante und guten thermooptischen Eigenschaften als eines der vielversprechendsten Materialien. Der Herstellungsprozess von TAG-Keramiken muss jedoch noch weiter optimiert werden, um den optischen Verlust zu verringern und sie für den praktischen Einsatz anwendbar zu machen.
Die optische Streuung von den sekundären Phasen ist eines der wichtigsten Probleme bei TAG-Keramiken, da sie aus dem engen Bereich der festen Lösungen resultiert. Basierend auf den bestehenden Problemen und Schwierigkeiten bei TAG-Keramiken schlug das Forschungsteam eigene Lösungen vor.
„Da Y3+ im Vergleich zu Tb3+ einen kleineren Ionenradius hat, können sich nach Y-Substitution in TAG leichter Anti-Site-Defekte bilden, was die Möglichkeit impliziert, den Bereich der festen Lösung zu erhöhen, die sekundären Phasen zu unterdrücken und die optische Qualität von TAG-Keramiken zu verbessern“, sagte Jiang Li, Hauptautor der Forschungsarbeit und stellvertretender Direktor des Forschungszentrums für transparente Keramik am Shanghai Institute of Ceramics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Dr. Li ist außerdem Professor am Zentrum für Materialwissenschaft und Optoelektroniktechnik der Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.
„In dieser Arbeit wurde Y2O3 in verschiedenen Mengen als Zusatzstoff hinzugefügt, um die Mechanismen zu untersuchen, die zur Verbesserung der optischen Qualität von TAG-Keramiken führen. (Tb1-xYx)3Al5O12 (x=0, 0,05, 0,1, 0,2, 0,3)-Keramiken wurden durch Festkörperreaktionssintern hergestellt. Es wurde ein Vakuumsintern in Kombination mit einer Nachbehandlung durch heißisostatisches Pressen (HIP) durchgeführt. Die Kristallstruktur, Mikrostruktur, optische Durchlässigkeit, Verdet-Konstante und thermischen Eigenschaften der erhaltenen Keramiken wurden im Detail untersucht“, sagte Jiang Li.
Das Ergebnis ist, dass Y2O3 die optische Durchlässigkeit der Keramik verbessert, indem es die sekundäre Phase unterdrückt, wahrscheinlich aufgrund der erhöhten Löslichkeit.
„Die (Tb0,8Y0,2)3Al5O12-Keramiken besitzen in dieser Arbeit den höchsten Inline-Transmissionswert, der bei 1064 nm 82,9 % und bei 633 nm 82,2 % beträgt. Der optische Verlust der (Tb0,8Y0,2)3Al5O12-Keramiken ist fast eine Größenordnung niedriger als der der in dieser Arbeit und in unseren früheren Arbeiten erhaltenen TAG-Keramiken, was zeigt, dass die Zugabe von Y2O3 eine geeignete Methode zur Verbesserung der optischen Qualität von TAG-Keramiken ist“, sagte Jiang Li.
Das Forschungsteam entdeckte auch die Nebenwirkungen, die durch den Y-Ersatz verursacht werden. „Der Zusatz Y2O3 verringert die Verdet-Konstante von (Tb1-xYx)3Al5O12-Keramiken, da Y3+ Tb3+ ersetzt und dadurch die Konzentration paramagnetischer Ionen direkt verringert. Und nach der Zugabe von 20 Atom-% Y verringert sich die Wärmeleitfähigkeit der TAG-Keramiken in dieser Arbeit um 9,4 %“, sagte Jiang Li.
Nach umfassender Betrachtung der Faktoren nimmt das Forschungsteam die Bewertung vor. Jiang Li sagte: „Der optische Verlust wirkt sich direkt auf das Extinktionsverhältnis, den Einfügungsverlust, die Änderung der Strahlqualität und viele andere Eigenschaften von Faraday-Isolatoren aus und ist daher eine der wichtigsten Eigenschaften magnetooptischer Keramik. Daher kann Y2O3 vorläufig als vielversprechender und wirksamer Zusatzstoff zur Verbesserung der Qualität von TAG-Keramiken für magnetooptische Anwendungen angesehen werden.“
In Zukunft wird das Forschungsteam den optischen Verlustkoeffizienten weiter reduzieren und die (Tb1-xYx)3Al5O12-Keramiken mit größerer Apertur und Dicke herstellen.
Zu den weiteren Mitwirkenden gehören Lixuan Zhang, Dianjun Hu, Xiao Li, Ziyu Liu, Chen Hu, Lexiang Wu und Tingsong Li vom Transparent Ceramics Research Center am Shanghai Institute of Ceramics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Shanghai, China, sowie Dariusz Hreniak vom Institut für Tieftemperatur- und Strukturforschung der Polnischen Akademie der Wissenschaften in Breslau, Polen.
Mehr Informationen:
Lixuan Zhang et al., Einfluss der Y-Substitution auf die Mikrostruktur, die magnetooptischen und thermischen Eigenschaften von (Tb1-xYx )3Al5O12 transparenter Keramik, Zeitschrift für moderne Keramik (2024). DOI: 10.26599/JAC.2024.9220875
Zur Verfügung gestellt von Tsinghua University Press