Получение стеклокерамики на основе Er:YAG и Bi2O3–B2O3–BaO методом селективного лазерного спекания

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Разработан способ получения аморфного ультрадисперсного прекурсора (шихты) с различным соотношением Er:YAG и 20Bi2O3–60B2O3–20BaO. Методом селективного лазерного спекания показана возможность формирования функциональной стеклокерамики с кристаллической фазой, представленной иттрий-эрбий-алюминиевым гранатом и боратом иттрия-эрбия, из синтезированного прекурсора. Методами ДСК и РФА проведен анализ химических и фазовых превращений в процессах термической обработки прекурсора, методом АЭС-ИСП исследовано изменение макросостава стеклокерамики при характерных температурах синтеза. Показано, что используемый ультрадисперсный прекурсор перспективен для получения оптических интегральных схем по технологии селективного лазерного спекания.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. Д. Плехович

Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: plekhovich@ihps-nnov.ru
Россия, 603951 Нижний Новгород, Тропинина ул., 49, БОКС-75

А. М. Кутьин

Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых Российской академии наук

Email: plekhovich@ihps-nnov.ru
Россия, 603951 Нижний Новгород, Тропинина ул., 49, БОКС-75

Е. Е. Ростокина

Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых Российской академии наук

Email: plekhovich@ihps-nnov.ru
Россия, 603951 Нижний Новгород, Тропинина ул., 49, БОКС-75

М. Е. Комшина

Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых Российской академии наук

Email: plekhovich@ihps-nnov.ru
Россия, 603951 Нижний Новгород, Тропинина ул., 49, БОКС-75

К. В. Балуева

Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых Российской академии наук

Email: plekhovich@ihps-nnov.ru
Россия, 603951 Нижний Новгород, Тропинина ул., 49, БОКС-75

К. Ф. Шумовская

Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых Российской академии наук

Email: plekhovich@ihps-nnov.ru
Россия, 603951 Нижний Новгород, Тропинина ул., 49, БОКС-75

И. И. Евдокимов

Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых Российской академии наук

Email: plekhovich@ihps-nnov.ru
Россия, 603951 Нижний Новгород, Тропинина ул., 49, БОКС-75

А. Е. Курганова

Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых Российской академии наук

Email: plekhovich@ihps-nnov.ru
Россия, 603951 Нижний Новгород, Тропинина ул., 49, БОКС-75

Список литературы

  1. Плехович А.Д., Ростокина Е.Е., Комшина М.Е., Балуева К.В., Игнатова К.Ф., Кутьин А.М. Калорические и волюметрические свойства стеклообразующей системы Bi2O3–B2O3–BaO для оптических применений // Неорган. материалы. 2022. Т. 58. № 7. С. 763–770. https://doi.org/10.31857/S0002337X22060094
  2. Chaim R., Kalina M., Shen J.Z. Transparent Yttrium Aluminum Garnet (YAG) Ceramics by Spark Plasma Sintering // J. Eur. Ceram. Soc. 2007. V. 27. P. 3331–3337. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2007.02.193
  3. Xia Li Fabrication of Transparent Yttrium Aluminum Garnet Ceramic // J. Phys.: Conf. Ser. 2009. V. 152. Р. 012079. https://doi.org/10.1088/1742-6596/152/1/012079
  4. Lin J., Lin P., Ao R., Xing L., Lin T., He P., Li J., Yang W. Microstructure Evolution and Mechanical Properties of YAG/YAG Joint Using Bismuth-Borate Glass // J. Eur. Ceram. Soc. 2021. V. 41. P. 2847–2854. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2020.12.002
  5. Lu B., Gai K., Wang Q., Zhao T. Continuous Yttrium Aluminum Garnet Ceramic Fiber with High Tensile Strength by Melt-Spinning from Polymer Precursor // Ceram. Int. 2023. V. 49. P. 32318–32323. http://dx.doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.07.098
  6. Пайгин В.Д., Степанов С.А., Валиев Д.Т., Двилис Э.С., Хасанов О.Л., Ваганов В.А., Алишин Т.Р., Калашников М.П., Илела А.Э. Люминесцентная керамика на основе иттрий-алюминиевого граната, полученная традиционным спеканием в воздушной атмосфере // Российские нанотехнологии. 2019. Т. 14. № 3–4. С. 26–31. https://doi.org/10.21517/1992-7223-2019-3-4-26-31
  7. Kaminskii A., Becker P., Bohaty L., Ueda Ken-ichi, Takaichi K., Hanuza J., Maczka M., Eichler H., Gad M.A Gad. Monoclinic Bismuth Triborate BiB3O6 – a New Efficient χ(2)+χ(3) – Nonlinear Crystal Multiple Stimulated Raman Scattering and Selfsum – Frequency Lasing Effects // Opt. Commun. 2002. V. 206. P. 179–191. https://doi.org/10.1016/S0030-4018(02)01386-X
  8. Hellwig H., Liebertz J., Bohaty L. Exceptional Large Nonlinear Optical Coefficients in the Monoclinic Bismuth Borate BiB3O6 (BIBO) // Solid State Commun. 1999. V. 109. P. 249–251. https://doi.org/10.1016/S0038-1098(98)00538-9
  9. Becker P. Thermal and Optical Properties of Glasses of the System Bi2O3-B2O3 // Cryst. Res. Technol. 2003. V. 38. № 1. P. 74–82. https://doi.org/10.1002/crat.200310009
  10. Effendy N., Zaid M.H.M., Sidek H.A.A., Halimah M.K., Shabdin M.K., Yusof K.A., Mayzan M.Z.H. The Elastic, Mechanical and Optical Properties of Bismuth Modified Borate Glass: Experimental and Artificial Neural Network Simulation // Opt. Mater. 2022. V. 126. P. 112170. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2022.112170
  11. Chizhikov A.P., Bazhin P.M., Stolin A.M. Features of the Structure and Phase Composition of Materials Based on Aluminum Oxide and Chromium Borides Obtained under Conditions of SHS and Free SHS Compression // Lett. Mater. 2020. V. 10. P. 135–140. https://doi.org/10.22226/2410-3535-2020-2-135-140
  12. Chen P., Li Y., Yin B., Li S., Jia W., Lao D., Wang H., Liu J. New Design of Bismuth Borate Ceramic/Epoxy Composites with Excellent Fracture Toughness and Radiation Shielding Capabilities // Mater. Today Commun. 2023. V. 35. P. 106102. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2023.106102
  13. El-Khayatt A.M., Saudi H.A. Recycling of Waste Porcelain into Newly Developed Bismo-Borate Glass Admixture with Gd3+ Ions for Nuclear Radiation Protection Uses: An Experimental and Theoretical Study // Radiat. Phys. Chem. 2023. V. 203. P. 110612. https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2022.110612
  14. Степаненко С.А. Фотонный компьютер: структура и алгоритмы, оценки параметров // Фотоника. 2017. № 7. C. 67. https://doi.org/10.22184/1993-7296.2017.67.7.72.83
  15. Цилькер Б.Я., Орлов С.А. Организация ЭВМ и систем. СПб: ПИТЕР, 2015.
  16. Полуэктов А.О. Оптический логический элемент: Патент РФ № 20751061 от 10.03.1997.
  17. Kumar A. Implementation of All-Optical NAND Logic Gate and Halfadder Using the Micro-Ring Resonator Structures // Opt. Quantum Electron. 2016. V. 48. № 477. https://doi.org/10.1007/s11082-016-0747-z
  18. Кузнецова О.В., Сперанский В.С. Решение задач обработки оптических сигналов без оптоэлектронного преобразования // Т-Comm. 2012. № 8. С. 35–39.
  19. Foldvari I., Beregi E., Munoz A., Sosa R., Horvath V. The Energy Levels of Er3+ Ion in Yttrium Aluminum Borate (YAB) Single Crystals // Opt. Mater. 2002. № 19. P. 241–244. https://doi.org/10.1016/S0925-3467(01)00185-9
  20. Jiang H., Wang J., Hu X., Liu H., Liu X.Y. Optical Transition Properties of Er3+ Ions in YA13(BO3)4 Crystal // Chem. Phys. Lett. 2002. № 365. P. 279. https://doi.org/10.1016/S0009-2614(02)01479-3
  21. Dammak M. Crystal-field Analysis of Er3+ Ions in Yttrium Aluminium Borate (YAB) Single Crystals // J. Alloys Compd. 2005. № 393. P. 51–56. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2004.10.006
  22. You W., Lin Y., Chen Y., Luo Z., Huang Y. Growth and Spectroscopic Properties of Er3+ Single Doped and Er3+–Yb3+ Co-Doped YAl3(BO3)4 Crystals // J. Cryst. Growth. 2004. № 270. P. 481–485. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2004.07.005
  23. Manjeet, Ravina, Amit, Poria K., Deopa N., Kumar A., Chahal R.P. Optimization of Dysprosium Ions Doped Borate Glasses for Photoluminescence Applications // Mater. Lett.: X. 2023. V. 19. P. 100208. https://doi.org/10.1016/j.mlblux.2023.100208
  24. Bao W., Yu X., Wang T., Zhang H., Su C. Tb3+/Eu3+ Co-Doped Al2O3–B2O3–SrO Glass Ceramics: Preparation, Structure and Luminescence Properties // Opt. Mater. 2021. V. 122. P. 111772. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2021.111772
  25. Ma R., Reniers S., Shoji Y., Mizumoto T., Williams K., Jiao Y., van der Tol J. Integrated Polarization-Independent Optical Isolators and Circulators on an InP Membrane on Silicon Platform // Optica. 2021. V. 8. P. 1654–1661. https://doi.org/10.1364/OPTICA.443097
  26. Плехович А.Д., Ростокина Е.Е., Кутьин А.М., Гаврищук Е.М. Кинетика формирования алюмоиттриевого граната из аморфной фазы гидрозолей разного состава // Неорган. материалы. 2022. T. 58. № 12. С. 1353–1360. https://doi.org/10.31857/S0002337X22120090
  27. Bobkova N.M., Trusova E.E., Zakharevich G.B. Phase, Glass Formation and the Properties of BaO–Bi2O3–B2O3 Glasses // Glass Ceram. 2013. № 69. P. 366–369. https://doi.org/10.1007/s10717-013-9480-2
  28. Plekhovich A.D., Kut’in A.M., Rostokina E.E., Komshina M.E., Balueva K.V., Ignatova K.F., Shiryaev V.S. Controlled Crystallization of BaO–B2O3–Bi2O3 Glass in the Temperature Range of a Supercooled Melt in the Presence of Additional Nucleation Centers // J. Non-Cryst. Solids. 2022. V. 588. P. 121629. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2022.121629
  29. Rostokina E.Ye., Plekhovich А.D., Kut’in А.M., Georgiu I.F., Balabanov S.S., Komshina M.E. Kinetic Effects of Substitution Er3+ for Y3+ in (Y1-xErx)3Al5O12 Garnet // J. Eur. Ceram. Soc. 2021. V. 41. P. 5324–5330. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.03.065
  30. Bufetova G.A., Kashin V.V., Rusanov S.Ya., Seregin V.F., Tsvetkov V.B. Measurement of the Refractive Index of an Er3+:YAG Crystal Melt // J. Appl. Phys. 2020. V. 127. P. 035104. https://doi.org/10.1063/1.5128088
  31. Zelmon D.E., Small D.L., Page R. Refractive-Index Measurements of Undoped Yttrium Aluminum Garnet from 0.4 to 5.0 μm // Appl. Opt. 1998. V. 37. P. 4933–4935. https://doi.org/10.1364/AO.37.004933
  32. Peixin Zhong, Genyu Chen, Shaoxiang Cheng, Mingquan L. Study on the Effect of Laser Pre-Sintering in Laser-Assisted Glass Frit Bonding // J. Mater. Res. Technol. 2022. V. 20. P. 2309–2322. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.07.162
  33. Gao B., Zhao H., Peng L., Sun Z. A Review of Research Progress in Selective Laser Melting (SLM) // Micromachines. 2023. V. 14. P. 57. https://doi.org/10.3390/mi14010057
  34. Liu Q., Danlos Y., Song B., Zhang B., Yin S., Liao H. Effect of High-Temperature Preheating on the Selective Laser Melting of Yttria-Stabilized Zirconia Ceramic // J. Mater. Process. Technol. 2015. V. 222. P. 61–74. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2015.02.036
  35. Protasov C.E., Khmyrov R.S., Grigoriev S.N., Gusarov A.V. Selective Laser Melting of Fused Silica: Interdependent Heat Transfer and Powder Consolidation // Int. J. Heat Mass Transfer. 2017. V. 104. P. 665–674. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.08.107

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Микрофотографии порошков Er:YAG (а), стекла (б) и стеклокерамики (в) после распыления на разработанной установке и неполированных поверхностей образцов, синтезированных методом СЛС, Er:YAG (г) и стеклокерамики (д).

Скачать (32KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Рентгенограммы образцов, сформированных методом СЛС из 100%-ного граната (1), из ультрадисперсной шихты 10% граната+90% стекла (2); идентифицированные кристаллические фазы: 1 – Y3Al5O12 (PDF 33–0040), 2 – YBO3 (PDF 74–1929) иY3Al5O12 (PDF 33–0040).

Скачать (20KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Результаты термического анализа образцов стекла 20Bi2O3–60B2O3–20BaO (красная линия) и стеклокерамики 10Er:YAG–90(Bi2O3–B2O3–BaO) (фиолетовая линия), полученных методом СЛС, в сравнении со стеклом, сваренным в платиновом тигле (пунктирная линия).

Скачать (21KB)
Метаданные
5. Рис. 4. ДСК-кривые нагревания со скоростью 10 K/мин ультрадисперсной шихты x(Er0.5Y0.5AG)–(100-x)∙(20Bi2O3–60B2O3–20BaO) при x = 5, 10, 15, 19, 54 мол. % (температурный диапазон расстекловывания отмечен светло синим фоном, а кристаллизация выделена бежевым фоном).

Скачать (27KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Микрофотографии спеченных при нагревании в печи до 950°С стеклокристалла из ультрадисперсной шихты 5(Er0.5Y0.5AG)–95∙(20Bi2O3–60B2O3–20BaO) (а) и образца из механически измельченной смеси сформированного граната и стекла (15 и 85% мол.) (б)

Скачать (14KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Рентгенограмма образца, полученного из механически измельченной смеси сформированного граната и стекла 15 Er0.5Y0.5AG−85(20Bi2O3–60B2O3–20BaO); идентифицированные кристаллические фазы: Y3Al5O12 (PDF 33–0040) и Bi1.87Y0.13O12 (PDF 41–0304).

Скачать (21KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Рентгенограммы образцов, полученных из спрессованной шихты двух мольных соотношений граната и стекла x(Er0.5Y0.5AG)–(100-x)∙(20Bi2O3–60B2O–20BaO): x = 5 (865 °С) и x = 54 (875 °С); идентифицированные кристаллические фазы: 865 °С – YBO3 (PDF 74–1929), 875 °С – Y3Al5O12 (PDF 33–0040), YBO3 (PDF 74–1929), Y3BO6 (PDF 34–0291).

Скачать (36KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Результат СЛС ультрадисперсной шихты состава 10–90 при многократных проходах (а), при разовом проходе – трек (б); вставка отображает ширину отдельного трека, формируемого лазерным пучком.

Скачать (24KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024