3Uchinchi renessansyosh olimlari: zamonaviy vazifalar,
innovatsiya va istiqbol Young Scientists of the Third Renaissance: Current Challenges, Innovations and Prospects
СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРА ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ КРИСТАЛЛОВ И КЕРАМИКИ CaF2:SrF2:YbFз
М.Х.Ашуров, И.Нуритдинов, С.Т.Бойбобоева
Институт ядерной физики АН РУз.
Узбекистан.
Введение. Кристаллы фторидов щелочно-земельных элементов со структурой флюорита, активированные редкоземельными ионами, одними из первых были использованы в качестве активных элементов в твердотельных лазерах [1-5]. Привлекательность керамики обуславливается такими ее свойствами, как возможность создания образцов больших размеров, высокая теплопроводность, большой параметр теплового разрушения [6-8]. В связи с этим использование керамики в качестве активной среды для лазеров большой мощности и сцинтилляторов необходимого разрешения является весьма перспективным.
Среди различных твердотельных материалов легированные с редкоземельными примесьями кристаллы CaF2 являются одним из первых, на которых проведены интенсивные исследования на предмет возможной генерации индкцированного излучения [8]. Ион Yb3+ интересен тем, что его сильная ИК люминесценция может быть легко возбуждена с обычными 940 и 980 нм лазерными диодами [9,10]. Кристаллы CaF2:Yb2+ интересны тем, что у них имеется интенсивное и широкое желто- зеленое свечение [11,12].
С применением термодинамико-топологического анализа были предсказаны и экспериментально реализованы [13,14] два семейства материалов, которым отвечают седловинные точки на поверхностях плавления твердых растворов в системах CaF2-SrF2-RF3 и SrF2-BaF2-RF3. Соответственно в концентрационной окрестности этой точки устойчивость процесса синтеза существенно выше, что позволяет получать высоко качественные безъячеистые монокристаллы твердых растворов при концентрации ионов Yb3+ на уровне 310 мол %. Важно отметить, что процесс синтеза монокристаллов твердых растворов CaF2-SrF2-YbF3 более прост, чем синтез монокристаллов типа MeF2:YbF3 (Me=Ca, Sr), что обеспечивает более низкий порог генерации и более высокую эффективность (полный КПД составляет 53%, дифференциальный КПД-83%) лазеров на их основе [13]. В настоящей работе проводились
50
May 15, 2024
Uchinchi renessans yosh olimlari: zamonaviy vazifalar,
innovatsiya va istiqbol Young Scientists of the Third Renaissance: Current Challenges, Innovations and Prospects
сравнительные исследования состояния поверхности монокристаллов и нанокерамики с использованием сканирующего зондового микроскопа.
Образцы для исследования и методика эксперимента. Для исследования использованы образцы размером 1*5*10 мм3, вырезанные из були монокристаллов и нанокерамик твердых растворов СаР2:8гЕ2:УЬЕ3. Кристаллы твердых растворов на основе СаБ2^^2, активированные YbF3, выращены методом вертикальной направленной кристаллизации, описанным в работах [13,15], а оптическая нанокерамика получена методом горячего формования (прессования), изложенным в работах [6,7]. Все образцы были полированы до оптического качества. Образцы были облучены у-лучами источника 60Со на гамма-установке Института ядерной физики АН РУз, дозы облучения варьировали в интервале 105-108 рад, при температуре канала (30^40 0С). Для предотвращения воздействия дневного света на наведенные облучением центры окраски, образцы оборачивались в алюминиевую фольгу. Перед облучением и исследованием поверхность образцов очищалась спиртом.
Трехмерное изображение поверхности образца 65СаЕ2:308гЕ2:5УЬЕ3 получено с помощью сканирующего зондового микроскопа SPM 9700НТ. Исследование проводилось в контактном режиме работы сканирующего зондового микроскопа. Для этого выбирали образец площадью 30*30 мкм и определяли количество «пиковых выступов», их полуширину и высоту до и после облучения гамма-лучами.
Результаты и их обсуждение. Состояние поверхности исходного монокристалла и нанокерамики твердых растворов СаР2:8гЕ2:УЬЕ3, измеренное на сканирующем зондовом микроскопе, показано на рис.1.
Рис. 1. Исходная 3D-топография поверхности образцов монокристалла 65CaF2:30SrF2:5YbFз (а) и керамики (б)
На рис.3 показано состояние поверхности исходной керамики 65СаР2:308гЕ2:5УЬЕ3 с соответствующими данными некоторой обнаруженной
May 15, 2024
51
Uchinchi renessansyosh olimlari: zamonaviy vazifalar,
innovatsiya va istiqbol Young Scientists of the Third Renaissance: Current Challenges, Innovations and Prospects
шероховатости поверхности по указанным линиям. Видно, что на поверхности исходной керамики 65CaF2:30SrF2:5YbF3 среднее значение шероховатости составляет примерно 74,18 нм. В исходном кристалле 65CaF2:30SrF2:5YbF3 среднее значение шероховатости поверхности составляет около 5,86 нм. Однако, после облучения гамма лучами дозой 107 рад средняя высота шероховатостей на поверхности керамики уменьшилась по сравнению с исходным состоянием, а на поверхности кристалла - увеличилась. Анализ состояния поверхности монокристаллов и нанокерамики твердых растворов CaF2:SrF2:YbFз, проведенный на сканирующем зондовом микроскопе, показал, что средняя высота шероховатостей на поверхности керамики уменьшается от Я^=74,18 нм (исходного) до ^=55,94 нм (облученного до 107рад). Но на поверхности кристалла увеличивается от Я^=5,86 нм (исходного) до ^=41,06 нм (облученного до 107 рад). Соотношение средней высоты бугорка шероховатостей на поверхности у-облученного и необлученного образцов показывает, что под воздействием у-облучения в кристалле появляется много дефектов, которые соответствуют более сильному валентному переходу 'Ь3+^-Yb2+, связанному с уходом междоузельного фтора. Предполагается, что в нанокерамике, в отличие от монокристаллов, сильно развиты границы раздела между "зернами" и "пустотами", которые препятствуют движению ионов фтора и повторному восстановлению исходного'УЪ3+ состояния.
52
May 15, 2024
Uchinchi renessans yosh olimlari: zamonaviy vazifalar,
innovatsiya va istiqbol Young Scientists of the Third Renaissance: Current
Рис.2. Состояние поверхности исходной керамики 65CaF2:30SrF2:5YbFз с
указанными
линиями исследования шероховатости и данные о некоторых обнаруженных шероховатостей поверхности на отрезке А-В и С-Б.
Значительное уменьшение интенсивности 1111 в ИК - области [8] (т.е валентное изменение ионов УЬ3+ при облучении сильнее проявляется в монокристаллах по сравнению с керамикой), увеличение шероховатостей на поверхности кристалла показывает, что под влиянием у-облучения в монокристаллах появилось много дефектов по сравнению с керамикой. На поверхности кристаллов из-за отсутствия границ, которые препятствуют движению ионов фтора, они свободно удаляются из своего исходного состояния и создаются дефекты. На поверхности керамики, в отличие от кристаллов, есть границы раздела между "зернами" и "пустотами". Эти границы раздела и пустоты препятствуют движению ионов фтора и удерживают их. Из этого можно предположить, что на поверхности керамики под влиянием облучения количество дефектов уменьшается из-за действия междоузельных ионов фтора. Поэтому в керамике под влиянием облучения валентное изменение ионов УЬ3+
53
May 15,2024
Uchinchi renessansyosh olimlari: zamonaviy vazifalar,
innovatsiya va istiqbol Young Scientists of the Third Renaissance: Current Challenges, Innovations and Prospects
наблюдаетсяменьше, больше проявляются структурные изменения вокруг ионов Yb3+.
Заключение. Соотношение средней высоты бугорка шероховатостей на поверхности у-облученного и необлученного образцов показывает, что под воздействием у-облучения в кристалле появляется много дефектов, которые соответствуют более сильному валентному переходу 'Ь3+^'Ь2+, связанному с уходом междоузельного фтора. Полученными нами результатами установлено, что керамические образцы являются более радиационно стойкими и их поверхность улучщается под действием гамма-облучения, что показывает перспективность их применения в качестве лазерного материала.
REFERENCES
1. L.D. DeLoach, S.A. Payne, L.L. Chase, et al., Evaluation of absorption and emission properties of Yb3+ doped crystals for laser applications, IEEE J. Quantum Electron., 29 (1993) 179-1190.
2. A.Lucca, G.Debourg, M.Jacquemet, et al., Highpower diode-pumped Yb3+:CaF2 femtosecond laser, Opt. Lett., 29 (2004) 2767-2769.
3. A.Jouini, A. Brenier, Y. Guyot, et al., Spectroscopic and laser properties of the near-infrared tunable laser material Yb3+-doped CaF2 crystal, Cryst. Growth Des., 8 (2008) 808-811.
4. M. Siebold, S. Bock, U. Schramm, et al., Yb:CaF2—a new old laser crystal, Appl. Phys. B, 97 (2009) 327-338.
5. G. Machinet, G. Andriukaitis, P. Sevillano, et al., High-gain amplification in Yb:CaF2 crystals pumped by a high-brightness Yb-doped 976 nm fiber laser, Appl. Phys. B, 111 (2013) 495-500.
6. P.P. Fedorov, Fluoride laser ceramics, Handbook on Solid-State Lasers: Materials, Systems and Applications, Ed. Denker B. and Shklovsky E. Oxford: Woodhead, (2013)82-109.
7. M.Sh Akchurin,. T.T. Basiev, A.A. Demidenko et al., CaF2:Yb laser ceramics, Opt. Mater.,35 (2013) 444-450.
8. M. Kh. Ashurov, I. Nuritdinov, S.T. Boiboboeva, Radiation-Stimulated Transformations Yb3+^Yb2+ and Yb3+^Yb3+ in Single Crystals and Nanoceramics CaF2:YbF3, Physics of the Solid State, 64 (2022) 1439-1443.
9. Yu.K. Voronko, V.V. Osiko, and I.A. Shcherbakov, Optical centers and interaction of Yb3+ ions in cubic fluorite crystals, Zh. Eksp. Teor. Fiz., 56 (1969) 151-160.
54
May 15, 2024
Tashkent Institute of Economics and Pedagogy
Uchinchi renessans yosh olimlari: zamonaviy vazifalar,
innovatsiya va istiqbol Young Scientists of the Third Renaissance: Current _Challenges, Innovations and Prospects
10.M. Ito, C. Goutaudier, Y. Guyot, et al., Crystal growth, Yb3+ spectroscopy, concentration quenching analysis and potentiality of laser emission in Ca1-xYbxF2+x, J. Phys: Condens. Matter, 8 (2004) 1501-1521.
11.A.A. Kaplyanskii, V.N. Medvedev, and P.L. Smolyanskii, Spectra, kinetics, and polarization of the luminescence of CaF2-Yb2+ crystals, Opt. Spectrosc., 41 (1976)
12.E.G. Reut, The nature of divalent Eu and Yb luminescence in fluorite-structure crystals, Opt. Spektrosk., 40 (1976) 99-103.
13.T.T. Basiev, S.V. Vasil'ev, M.E. Doroshenko, V.A. Konyushkin, S.V. Kuznetsov, V.V. Osiko, P.P. Fedorov, Effecient lasing in diode-pumped Yb3+:CaF2-SrF2 solid-solution single crystals. Quantum Electronics, 37 (2007) 934-937.
14.P P Fedorov, I I Buchinskaya, Spatial inhomogeneity in crystalline materials and saddle-type congruent melting points in ternary systems, Russian Chemical Reviews, 81 (2012) 1-20.
15.A.E. Angervaks, A.S. Shcheulin, A.I. Ryskin et al., Di- and trivalent ytterbium distributions along a meltgrown CaF2 crystal, Inorg. Mater., 50 (2014) 733-737.
615-621.
May 15, 2024
