《共沉淀法制备Nd》由会员分享，可在线阅读，更多相关《共沉淀法制备Nd（17页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、共沉淀法制备Nd:YAG纳米粉体及其性能表征摘要掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)透明陶瓷因其优异的光学性能和制备工艺方面的 优势而成为极具潜力的激光材料,合成烧结性能良好的Nd:YAG纳米粉体为制备 其的关键因素。本文研究了共沉淀法制备Nd:YAG透明陶瓷的前期原料粉体的工 艺，并对Nd:YAG纳米粉体的性能进行了探讨。利用DX-2700X型X射线衍射仪 (XRD)、RF-5301PC型荧光分光光度计、扫描电子显微镜等测试手段分析了 产物的结构和形貌。得到了适合制备Nd:YAG透明激光陶瓷的原料粉体,并确定 了共沉淀法制备Nd:YAG纳米粉体的最佳条件。关键词：透明激光陶瓷Nd:YAG纳米粉体共
2、沉淀法荧光性质论文总页数：16页1引言22国内外对三氧化钼纳米颗粒的研究进展错误！未定义书签。2.1纳米MqG3的基本性质错误！未定义书签。2.2纳米材料的特性及纳米MqG3颗粒的研究错误！未定义书签。2.2.1纳米材料的特性错误！未定义书签。2.2.2纳米MoG3颗粒的研究错误！未定义书签。2.3纳米MqG3的制备方法错误！未定义书签。2.3.1热蒸发法错误！未定义书签。2.3.2沉淀法错误！未定义书签。2.3.3模板限制辅助生长法错误！未定义书签。2.3.4其它制备方法错误！未定义书签。3实验制备三氧化钼掺铝纳米颗粒错误！未定义书签。3.1样品的制备错误！未定义书签。3.2实验设备错误！未
3、定义书签。3.3实验样品的制备错误！未定义书签。4实验结果与分析124.1形貌及晶体结构性能分析错误！未定义书签。4.1.1 3组SEM对照分析124.2光学性能的研究124.2.1退火后4组样品的发光性质错误！未定义书签。4.2.2通过激发光谱和发射光谱对样品光学性质的分析研究134.3退火后样品XRD分析错误！未定义书签。4.3.1退火后4组样品的XRD图谱与分析错误！未定义书签。4.3.2晶胞参数的计算与分析错误！未定义书签。结论错误！未定义书签。参考文献错误！未定义书签。致谢错误！未定义书签。声明错误！未定义书签。1引言近年来，随着半导体激光器（LD）的飞速发展，全固态激光器已成为当前
4、激 光及信息产业发展的一个热点。固体激光器的发展朝向微小型化和高功率化， 新时期我国国家安全和能源所急需的惯性约束核聚变（ICF）所用的大型激光器 的功率达到GW量级（几个焦耳），其核心材料就是固体激光工作物质。自20 世纪60年代以来，掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）晶体就作为应用最广的材料不断 发展，由于该晶体生长特性的限制，难以得到大尺寸、高掺杂浓度、高质量品 体。经过各国科研人员多年研究，发现YAG多晶透明陶瓷具有和YAG单品相 媲美的激光性能，而且相对于单品，还具有如下优点14: （ 1）易于合成大尺 寸、可控形状的材料；（2）断裂韧度高，达到单晶的3倍强度；（3）能实现激活 离子的均
5、匀高掺杂，使得Nd:YAG激光陶瓷比单品的具有更高的电光转换效 率。于是涉及纳米粉体的化学制备，纳米微品的生长机制，透明纳米晶界陶瓷的 制备工艺，材料的界面和表面的性能的表征及光谱和激光性质的研究等的 Nd:YAG 一类透明陶瓷激光工作物质的研究工作引起大家关注。随着陶瓷工艺 和纳米技术的发展，国内外在此方面的研究已经取得突破性进展，尤其以日本科 学家在此方面成就为著，但其制备技术处于高度保密状态，各国科研人员仍在各 自探索。2研究背景2 YAG陶瓷制备的研究进展与现状1995年，日本的Ikesue采用固相法制备出Nd:YAG透明陶瓷，得到了第 一台用Nd:YAG透明陶瓷作为激光工作物质的陶瓷
6、激光器实现了激光输出，其 斜率效率为28%，输出功率为70mW。1996-2002年，Ikesue等对Nd : Y AG陶瓷性能及制备进行了进一步研 究。结果表明：采用固相反应和真空烧结工艺方法可以得到相对密度为99.98% 的高透明YAG陶瓷，其平均晶粒尺寸为50nm，在可见光范围的透光率比上述 研究进一步提高，达到80%以上，激光振荡阈值和转换效率分别为309mw和 28%，光散射损失、硬度、光吸收及激光性能等也与单晶YAG相同或稍优于单 品材料。此后几年里，Nd:YAG透明陶瓷的制备工艺被不断地改进。目前，日本 已经研制出激光的斜率效率达到49%，激光输出达到1.46KW的Nd:YAG陶
7、 瓷激光器。2006年底，美国利弗莫尔国家实验室的固态激光器采用日本神岛化学公司提供的板条状YAG透明陶瓷制作的热容激光器输出功率已经达到67 kW，这 引起了军方的高度关注。国内关于YAG透明陶瓷的研究始于2000年。2003年，东北大学孙旭东等 采用固相反应真空烧结法制备了 YAG透明陶瓷，2004年，采用同样的工艺制 备了 Nd:YAG透明陶瓷。2008年12月在中科院理化所许祖彦院士实验室成功 获得1064nm的连续激光输出。但是到目前为止，国内在这方面的研究仍处于起 步阶段，还没有形成真正应用于实际需求的产品。2.1 YAG的晶体结构与组成石榴石原是指一系列自然产出的硅酸盐矿物。石榴
8、石的化学成分可以表示为 A3B2(Si04)3。钇铝石榴石(YAG)的化学式为Y3A15O12，它是属于立方晶系，具有 石榴石结构，空间群为Oh(10) Ia3d，品格常数为12.005埃,每个晶胞中含有八个 Y3A15O12分子。总共有24个钇离子、40个铝离子和96个氧离子。每个钇离 子各处于由8个氧离子配位的十二面体的L格位,16个铝离子均处于由6个氧离 子配位的八面体的B格位,24个铝离子各处于由4个氧离子配位的四面体的A格 位。八面体的铝离子形成的是体心立方结构,四面体的铝离子和十面体的钇离子 处在立方体的面等分线上,八面体及四面体都是变形的，钇铝石榴石中Y-O键的 长度是2.45埃
9、,三价钇离子与稀土离子的半径接近，使十二面体格位中掺杂一定数 目的三价稀土离子作为激活离子,这是石榴石系列的一个突出特点,即晶体结构中 可以有较大范围的阳离子取代。其结构5如图1.1图1.1钮铝石榴石的晶体结构生2.2 YAG的性质与用途YAG的结构是由互相连接着的八面体和四面体所组成的，具有特定的结构，所 以具有非常优良的物理、化学和机械特性。YAG从低温到高温熔点，其结构都 很稳定，其强度和硬度也很高，表1.2列出了 YAG的基本物理化学性质。表1.2 YAG的物理化学性质名称数值组成Y5A15OI2相对分子质量593.7晶体结构立方晶系，空间群I每d, ao= 12.005A莫式硬度8-
10、8.5熔点1950富色泽无色密度4.55g/cu?化学性质不溶于硫酸、盐酸、硝酸、氢氟酸断裂应力(13-2.6)xl0%g/cn?弹性模量YAG的一个突出特点是在晶体结构中实现较大范围的阳离取代。由于三价钇 离子的半径和稀土离子的半径比较接近，通过三价稀土离子取代YAG中的三价钇 离子，从而可以在钇铝石榴石中掺杂一定数量的激活离子，使其具有特殊的光学性 能，如La系的稀土元素三价离子因离子半径与三价钇非常相近，就可以取代Y3+ 形成Nd（Yb，Th，Er）:YAG。而三价铝离子的半径小，不容易被稀土离子取代实现掺 杂。所以掺Nd:YAG是目前能在室温下连续工作的唯一实用的固体物质。YAG 单品
11、具有优异的光学性质和机械性能，使其可以制作高温紫外和红外窗口;如果掺 入激活离子后还可以产生荧光和激光,并且不同激活离子可以发出不同波长的激 光。因此，Nd:YAG激光器成为最常用的固体激光光源，其在室温下可以实现连续 和脉冲等多种方式的运转。2.3 Nd:YAG的性质Nd:YAG激光器是目前最常用的一类固体激光器，其参量特别有利于激光的 产生。这主要是因为YAG基质硬度较高、光学质量好、热导率高，此外YAG的 立方结构也有利于产生窄的荧光谱线，从而产生高增益、低闲值的激光作用。在Nd:YAG中,Nd3+替代了 Y3+,因此不需要补偿电荷。(1)物理性质Nd:YAG除了非常优越的光谱和激光特性
12、外，其基质材料的晶格引起非常有 吸定，还没有它在固相中相变的报道,YAG的强度虽低于红宝石，但仍然很高，足以 保障在正常的生产过程中不会出现严重的断裂问题。纯的YAG是无色、光学各向同性的晶体,它是立方结构。在Nd:YAG中大约 有lat%的Y3+被Nd3+取代，两种稀土离子的半径差大约为3%,因此当大量Nd3+ 加入后，晶体就会出现应变-这表明超过了 Nd3+的溶解度,或者掺入Nd3+后严重 破坏了 YAG的晶格。(2) 激光性质Nd:YAG激光器为四能级系统，波长为10641埃的激光跃迁始自4F3/2能级的 R2分量,终止于4Fll能级的Y3分量。在室温下，只有40%粒子数在R2线上，根据
13、 玻尔兹曼定律，余下的60%在较低的R1子能级，激光作用仅仅由R2产生，而R2能 级的粒子数能通过热跃迁由Rl补给。Nd:YAG的基能级为4F9/2能级，还有很多 相对较窄的能级，可以认为它们共同构成泵浦能级，在主要的泵浦中,0.81微米带 和0.75微米带最强，终端能级比基能级高出2llkm-1,因此其粒子数密度是基能级 的exp(AE/KT)exp (-10)倍。由于终端能级没有热粒子数，因而很容易达到闭 值条件。3粉体制备技术目前制备YAG纳米粉体的主要方法包括:固相反应法、燃烧法、化学沉淀法、 溶胶一凝胶法、水/有机溶剂热法等。3.1固相反应法固相反应法是发光材料的一种传统的合成方法，
14、具有工艺简单、成本低、效率 高的优点,其基本过程如下:首先把固体原料相互混合,然后进行长时间加热，使反 应在高温下通过接触截面发生离子的全扩散和互扩散，或者使原有的化学键发生 断裂，这种变化向固体原料内部或深度扩散,最终导致一种新物质的生成。反应物 颗粒越细，其比表面积越大,反应物颗粒之间的接触面积就越大，有利于固相反应 的进行。传统的合成YAG的固相法是以高纯Y2O3、Al2O3等为原料，按YAG的化学 计量比配料混合磨细，经锻烧后再次研磨到一定的粒度9。所以，固相反应是一个 比较复杂的多相扩散反应,反应过程中要经历Y中间相，最终才能生成纯YAG相。 因此,需要较高的焙烧温度，导致晶粒的粗化
15、且分布范围宽,特别是高温合成的粉 体易于形成硬团聚,而且配料需要长时间的研磨，易于引入杂质,最终影响了粉体 的可烧结性能。研究10、11表明如果采用纳米级且无团聚的粉体为原料,可在一定程度上降低 烧结温度。闻雷12等采用高纯Y2O3和A12O3微米级超细粉体作为原料,1700度 真空烧结5h得到了高透光的YAG多晶陶瓷。3.2燃烧法燃烧法利用有机燃料和金属盐溶液之间的放热反应，其释放出大量的热能可 使反应体系很快升温到1600度以上，由于升温迅速不同于传统的固相反应，可能 不经过中间相，而直接生成YAG相。此方法即节能又省时,更重要的是反应物在合 成过程中处于高度均匀分散状态,反应时原子只需短程扩散即可进入晶格位点，加 之反应速度快，前驱物的形成和氧化物的分解温度又很低，因此使得产物粒度小, 粒径分布均匀影响反应的因素包括燃料的类型，燃料与金属盐的摩尔比以及燃烧 的温度等。燃烧过程中发生的化学反应包括:溶液的燃烧和溶液的分解。该方法虽然具有生产过程简便、反应迅速、产品纯度高、发光亮度不易受破 坏、节省能源、节约成本的优点,但反应中存在反应过程剧烈而难以控制、不易 工业大规模生产等缺点13。3.3化学沉淀法化学沉淀法是工业大规模生产中用的最多的一种，由于其成本低，工艺易于控 制,一直受到广泛的欢迎。化学沉淀
