今天上午听了一个高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室的学术报告，题目是“YAG激光陶瓷中的缺陷”。讨论到SiO₂究竟以何种形式存在于Nd:YAG透明陶瓷，我觉得很有意思。在考虑这个问题之前，我觉得应该先了解一下钇铝石榴石的结构。

钇铝石榴石(YAG)的化学式为Y₃Al₅O₁₂，属于立方晶系，空间群为O_h¹⁰—Ia3d，其晶格常数为12.002?。每个单胞中含有8个化学式量，共有24个Y³⁺，40个Al³⁺，96个O^2-。Y³⁺离子处于8个O^2-离子配位的十二面体格位。存在两种Al³⁺离子格位，40％的格位处于六个O^2-离子配位的八面体格位，其余60％处于四个O^2-离子配位的四面体格位。八面体的Al³⁺离子形成体心立方结构，而四面体的Al³⁺离子和十二面体的Y³⁺离子处在立方体的面等分线上，八面体和四面体都是歪斜的。因此石榴石结构是一种畸变的结构。在YAG晶体结构中，具有十二面体配位的Y³⁺离子和八面体配位的Al³⁺离子格位可以被性质相似的其它离子所取代，即实现掺杂。稀土离子由于与Y³⁺离子具有相近的有效离子半径，容易进入YAG晶格，以固溶方式取代Y³⁺的格位。有时出于调整晶格常数或者调整掺杂离子所处晶体场的目的，处于四面体和八面体格位的Al³⁺离子也能被取代，从而实现对掺杂离子光谱性能的裁剪。对于取代不同的格位是根据不同的离子半径决定的：取代十二面体的离子半径范围为0.083~0.1290nm；取代八面体的离子半径范围为0.0530~0.0980nm；取代四面体的离子半径范围为0.0279~0.0590nm。

在Nd:YAG透明陶瓷的制备工艺中，通常使用正硅酸乙酯(TEOS)作为烧结助剂，TEOS在烧结过程中分解成SiO₂。通过查找手册，我们发现Si⁴⁺的离子半径是0.04nm，正好处于取代四面体的离子半径范围内，所以Si⁴⁺很可能取代四面体Al³⁺离子格位。但这仅仅是推断，具体实验手段如何证明呢？