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中国科学院上海硅酸盐研究所李江团队：Sc取代对(Tb1-xScx)3(Al1-yScy)2Al3O12磁光陶瓷的影响精选

已有 4140 次阅读 2024-9-10 14:48 |个人分类:JAC|系统分类:科研笔记

原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article: Zhang L, Hu C, Li X, et al. Effect of Sc substitution on the phase composition, microstructure, and properties of (Tb_1−xSc_x)₃(Al_1−ySc_y)₂Al₃O₁₂ transparent ceramics. Journal of Advanced Ceramics, 2024.

文章DOI：10.26599/JAC.2024.9220948

ResearchGate：https://www.researchgate.net/publication/382741408_Effect_of_Sc_substitution_on_the_phase_composition_microstructure_and_properties_of_Tb1-xScx3Al1-yScy2Al3O12_transparent_ceramics

1、研究背景

在高功率激光器件中，法拉第光隔离器是防止前端系统受到反射光束干扰和破坏的重要部件之一。磁光材料作为法拉第光隔离器的核心部件，人们已对其开展了广泛而深入的研究。在应用于可见到近红外波段的磁光材料中，Tb₃Al₅O₁₂ (TAG) 磁光材料具有高Verdet常数、高热导率、高激光损伤阈值、热光性能优异等优点。由于TAG非一致熔融的特性，大尺寸、高质量TAG单晶的制备十分困难，而采用透明陶瓷的制备途径，可以巧妙地规避非一致熔融问题，因此TAG磁光陶瓷越来越受到人们的关注。目前，为了满足高功率法拉第光隔离器的应用需求，TAG磁光陶瓷在光学质量上仍需进一步提升。TAG相的固溶范围较窄，陶瓷中极易出现引起光学散射的第二相，严重影响了TAG陶瓷的光学质量。

在此背景下，我们提出在TAG中加入Sc₂O₃，制备出(Tb_1-xSc_x)₃(Al_1-ySc_y)₂Al₃O₁₂（TSAG）陶瓷。由于Sc³⁺的离子半径位于Tb³⁺和Al³⁺之间，若Sc能同时占据Tb和Al格位，则当向Tb/Al化学计量配比发生轻微偏离的TAG陶瓷中加入适量Sc后，Sc可能会自发地占据离子空缺的格位，从而防止陶瓷中析出第二相，有利于提升陶瓷的光学质量。

2、文章亮点

本文系统地研究了Sc含量对TSAG陶瓷的物相组成及晶体结构、烧结动力学、微观结构、光学性能、磁光性能的影响，并结合第一性原理计算，研究了TAG陶瓷中反位缺陷与Sc取代缺陷的形成能与缺陷浓度。最终成功制备出具有高光学质量、高Verdet常数的TSAG磁光陶瓷。

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3、研究结果及结论

采用固相反应真空烧结法结合HIP处理分别制备了0wt.%、2wt.%、4wt.%、6wt.% Sc₂O₃:TAG磁光陶瓷，系统地研究了Sc含量对TSAG陶瓷的物相组成及晶体结构、烧结动力学、微观结构、光学性能、磁光性能的影响，并结合第一性原理计算，研究了TAG陶瓷中反位缺陷与Sc取代缺陷的形成能与缺陷浓度。结果表明Sc的引入对固相反应存在促进作用，但增大了烧结初期阶段的致密化活化能；Sc的取代有效地抑制了TSAG陶瓷中第二相的形成，并显著地提升了陶瓷的光学透过率，添加4wt.% Sc₂O₃后，TAG陶瓷从不透明变为透明，厚度为3.6 mm的样品在1064 nm处的直线透过率为73.6%；XRD测试结果和第一性原理计算结果均表明Sc可高浓度地同时占据Tb和Al 16a格位，因此增大了TAG陶瓷的固溶范围；XPS测试结果表明Sc和Tb的化学环境几乎不随Sc含量的变化而改变，且未检测到Tb⁴⁺的存在；添加4wt.%和6wt.% Sc₂O₃后，TSAG陶瓷在633 nm处的的Verdet常数仅分别降低了12.6%和14.0%。最终经过烧结制度优化，成功制备出在1064 nm处的直线透过率达到 82.2%，在633 nm 处的直线透过率达到81.2%（样品厚度3.0 mm）的高光学质量TSAG磁光陶瓷。

4、作者及研究团队简介

李江（通讯作者），男，1977年12月生，工学博士，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员，博士生导师，国家重点研发计划项目首席科学家。现任Journal of Advanced Ceramics副主编、《无机材料学报》副主编、美国陶瓷学会期刊Journal of the American Ceramic Society和International Journal of Applied Ceramic Technology副编辑（Associate editor）、Magnetochemistry、《现代技术陶瓷》、《人工晶体学报》、《功能材料与器件学报》等期刊的编委。目前主要从事光学与光功能透明陶瓷（包括：激光陶瓷、闪烁陶瓷、磁光陶瓷、照明/显示用荧光陶瓷、长余辉发光陶瓷等）的基础与应用研究。连续3年入选美国斯坦福大学发布的“终身科学影响力排行榜”（全球前2%顶尖科学家榜单）。受邀在国内外重要学术会议上作邀请报告60余次（20余次担任分会主席）。以项目负责人承担国家及省部级项目20余项。迄今在国内外重要学术期刊上发表论文446篇（其中第一作者及通讯作者275篇）；合著科学出版社专著《高温结构陶瓷研究浅论》和《先进光功能透明陶瓷》2部；合译高等教育出版社专著《发光材料》1部；参与2部英文专著部分章节的撰写；申请中国发明专利50余项（其中授权25项）。

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章立轩（第一作者），中国科学院上海硅酸盐研究所材料物理与化学专业博士研究生，研究方向为高功率法拉第光隔离器用磁光陶瓷的微结构控制与性能研究，目前以第一作者发表SCI论文9篇，合作发表论文二十余篇，参与申请中国发明专利3项。

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，由清华大学材料学院新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室提供学术支持，主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，年发文量近200篇，2024年6月发布的影响因子为18.6，位列Web of Science核心合集中“材料科学，陶瓷”学科31种同类期刊第1名。2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”梯队期刊项目。