Исследование иттриевых свинцово-фторидных наностеклокерамик, активированных ионами неодима Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

А.Ю. Бибик, А.О. Трофимов, Р.К. Нурыев, В.А. Асеев, Е.В. Колобкова, Н.В. Никоноров

5

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И НАНОТЕХНОЛОГИИ

УДК 539.264; 535.372

ИССЛЕДОВАНИЕ ИТТРИЕВЫХ СВИНЦОВО-ФТОРИДНЫХ НАНОСТЕКЛОКЕРАМИК, АКТИВИРОВАННЫХ ИОНАМИ НЕОДИМА

А.Ю. Бибик, А.О. Трофимов, Р.К. Нурыев, В.А. Асеев, Е.В. Колобкова, Н.В. Никоноров

Исследованы физико-химические и люминесцентные свойства иттриевых свинцово-фторидных стекол, активированных неодимом, и наностеклокерамик на их основе. Изучено выделение кристаллических фаз после термообработки стекол, рассчитаны размеры кристаллов и определены параметры элементарной ячейки.

Ключевые слова: активированная стеклокерамика, рентгенофазовый анализ, кристаллическая фаза, люминесценция.

Введение

Одним из перспективных материалов является наностеклокерамика, представляющая собой стекло с распределенными в его объеме нанокристаллами. Особый интерес представляет разработка и исследование стеклокристаллических материалов на основе фторсиликатных стекол, активированных редкоземельными ионами. Такие материалы сочетают в себе лучшие свойства низкофононных фторидных кристаллов, а также имеют высокую механическую прочность и химическую устойчивость [1]. Наностекло-керамики, активированные ионами неодима, представляют большой интерес в качестве лазерных материалов, работающих в ближнем ИК-диапазоне (1,06 и 1,3 мкм) на переходах 4Р3/2—41ц/2 и 4Р3/2—>411з/2 соответственно. Настоящая работа посвящена исследованию структурных и люминесцентных свойств ит-трий-свинцово-оксифторидных наностеклокерамик, активированных ионами неодима.

Экспериментальная часть

В работе были исследованы стекла состава 308Ю2-15АЮ3/2-29С№2-18РЪР2-52иР2-хМ№3-(3-х)ТР3, где х=3,0; 2,9; 2,5; 1; 0,5; 0,2; 0,1; 0, а также наностеклокерамики на их основе [2]. Синтез проводился в течение 30 мин. при температуре 7=1050°С в открытых корундовых тиглях в атмосфере воздуха. Далее стекла подвергали термической обработке в течение /терм = 30, 60, 120 мин. при температуре начала кристаллизации Тн.к =500°С для получения наностеклокерамик. Температура начала кристаллизации определялась методом дифференциальной сканирующей калориметрии. На рис. 1, а, представлена рентгенограмма исходного и термообработанного стекла.

ч

и

я н о

д" н о о

и «

« о

и

<и

53

1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0

25 30

29, град.

22

24

26 28 29, град.

30

— Стекло

— Стеклокерамика

б

Рис. 1. Дифрактограммы стекла и наностеклокерамики, термообработанной в течение 60 мин, концентрация Ыс1Рз - 0 мол.% (а); концентрация Ыс1Рз - 3 мол.% (б)

В исходном стекле кристаллические фазы отсутствуют, а в результате вторичной термообработки стекла с 3 мол.% УБ3 образуется кристаллическая фаза, в кристаллографическом отношении соответствующая иттриевому оксифториду свинца РЪУОР3 [2]. Выделяющаяся фаза - флюоритоподобная кубическая гранецентрированная элементарная ячейка с размером 5,74 А.

При концентрации ионов неодима 3 мол.%, т.е. полном замещении ионов иттрия, формируется гексагональная кристаллическая фаза. В кристаллографическом отношении структура выделяющейся фазы соответствует кристаллу (рис. 1, б). Размер элементарной ячейки равен 5,84 А.

а

ИССЛЕДОВАНИЕ ИТТРИЕВЫХ СВИНЦОВО-ФТОРИДНЫХ .

В ходе исследования был проведен рентгенофазовый анализ стекол и наностеклокерамик на их основе. На основе интенсивности и полуширины дифракционных отражений был сделан вывод, что процесс объемной кристаллизации в неодимовых наностеклокерамиках завершается после двух часов термообработки. Для всех исследованных концентраций фторида неодима объем кристаллической фазы в результате термообработки не зависит от концентрации ионов-активаторов.

При концентрациях фторида неодима от 0,1 до 2,9 мол.% в результате термообработки формируется кубическая гранецентрированная элементарная ячейка РЪУ(1-х)№хОР3. Это связано с тем, что ионы неодима встраиваются в кристалл, замещая иттрий, поскольку иттрий и неодим имеют близкие по значению размеры ионного радиуса. Размер элементарной ячейки зависит от концентрации фторида неодима и колеблется в диапазоне 5,74-5,83 А.

°<

я о н н й н о

к &

Я л

й ем

300 280

260 240 220

200 180 160

60 80 Время, мин

Рис. 2. Зависимость размера кристаллов от времени и концентрации ШРз для стеклокерамик, термообработанных в течение 30, 60 и 120 мин. ШРз мол.%: 0,2 (кривая 1); 0,5 (кривая 2); 1,0 (кривая 3);

2,5 (кривая 4); 3 (кривая 5)

Размеры кристаллов рассчитывались по методу Шеррера. При увеличении времени термообработки размер кристаллов увеличивается, но, как видно из графика (рис. 2), изменения незначительны. Например, для концентрации 0,2 мол.% размер кристаллов изменяется с 238 А до 282 А.

Вхождение иона неодима в кристаллическую фазу влияет на его спектрально-люминесцентные свойства (рис. 3). Так, изменяется форма спектра люминесценции и относительные интенсивности полос для различных времен термообработок. При термообработке также проявляется штарковская структура, обусловленная вхождением неодима в кристаллическую фазу РЪУх№(1-х)ОР3.

<и К

н о

л н о о к я к о к и н к

к

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

I 4р3/2^41ц/2

1

2

Л'3 1

900

1100

1000 Длина волны, нм

Рис. 3. Спектры люминесценции для образцов с концентрацией ШРз 1 мол.%; Анакачки = 808 нм. Время термообработки: исходное (кривая 1); 30 мин (кривая 2); 120 мин (кривая 3)

Выводы

В работе были исследованы люминесцентные свойства иттрий-свинцово-оксифторидных нано-стеклокерамик, активированных ионами неодима. В результате вторичной термообработки выделяются кристаллические фазы, зависящие от концентрации фторида неодима и иттрия. Размеры элементарной ячейки выделяющихся кристаллов составили от 5,74 А до 5,84 А в зависимости от содержания фторида неодима в исходном стекле.

А.П. Калинин, В.В. Манойлов, О.А. Приходько

Размер кристаллов изменяется в диапазоне 200-300 Â в зависимости от времени термообработки. Показано, что увеличение времени термообработки для наностеклокерамик приводит к изменению формы спектра и относительных интенсивностей люминесценции, что говорит о вхождении редкоземельного иона в кристалл.

Заключение

Таким образом, прозрачные иттриевые свинцово-фторидные наностеклокерамики, активированные ионами неодима, представляют интерес в качестве лазерных материалов и других перспективных приложений фотоники.

Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы» (Соглашение № 14.B37.21.0169, Минобрнауки РФ).

Литература

1. Колобкова Е.В., Мелехин В.Г., Пенигин А.Н. Оптическая стеклокерамика на основе фторсодержащих силикатных стекол, активированных редкоземельными ионами // Физика и химия стекла. - 2007. -Т. 33. - № 1. - С. 12-19.

2. Асеев В.А., Голубков В.В., Колобкова Е.В., Никоноров Н.В. Лантаноидные оксифториды свинца в стеклообразной матрице // Физика и химия стекла. - 2012. - Т. 38. - № 2. - С. 238-246.

Бибик Анастасия Юрьевна - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет

информационных технологий, механики и оптики, студент, Anasta-siya.bibik@list.ru

Трофимов Александр Олегович - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет

информационных технологий, механики и оптики, студент, Exeptional777@mail.ru

Нуриев Рустам Какабаевич - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет

информационных технологий, механики и оптики, аспирант, Nuryev@oi.ifmo.ru

Асеев Владимир Анатольевич - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет

информационных технологий, механики и оптики, ассистент, Aseev@oi.ifmo.ru

Колобкова Елена Вячеславовна - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет

информационных технологий, механики и оптики, доктор химических наук, профессор, Kolobok106@rambler.ru Никоноров Николай Валентинович - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет

информационных технологий, механики и оптики, доктор физ.-мат. наук, профессор, зав. кафедрой, Nikonorov@oi.ifmo.ru

УДК 543.456+52-17

ПРОГРАММНЫЙ МОДУЛЬ ДЛЯ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ ПО ИХ ИЗОБРАЖЕНИЯМ ДЛЯ КОЛИЧЕСТВЕННОГО ТРЕХМЕРНОГО СТЕРЕОАНАЛИЗА

А.П. Калинин, В.В. Манойлов, О.А. Приходько

Рассмотрена возможность применения среды программирования MATLAB для статистического стереоанализа дисперсных систем по их двумерным изображениям. Описаны функции и результаты использования программного модуля, подготовленного для построения вероятностной, статистически обусловленной 3Б-модели, которая соответствует более точному описанию структуры и прогнозированию свойств дисперсных систем. Ключевые слова: среда программирования, статистический анализ, дисперсные системы, микроструктура.

Введение

Для микроструктурного анализа материалов в настоящее время существуют программные пакеты, в частности, ImageExpert Pro 3, Spectr-Met , Microkon Met [1-3] и др. Недостатком данных пакетов является отсутствие функций по построению вероятностных 3Б-моделей внутренней структуры материалов на основе статистической обработки двумерных изображений плоских сечений с применением соотношений, известных из стереометрической металлографии [4] и предназначенных для стереоанализа структур. Например, в третьей версии ImageExpert Pro 3 реализована трехмерная визуализация с использованием технологии OpenGL, позволяющая получить реалистичное объемное изображение поверхностного рельефа, синтезированного на основе послойной оптической микроскопии. Однако отсутствует построение вероятностных трехмерных структур по следам их элементов на двумерных сечениях и проекциях, которое дает наиболее объективное представление о внутренней структуре материалов.