en
Назад
DOI: 10.17586/1023-5086-2021-88-06-48-57
УДК: 538.958
Спектральные свойства и структура прозрачных стеклокристаллических материалов на основе алюмомагниевой и алюмоцинковой шпинелей, допированных ионами железа
Полный текст «Оптического журнала»
Полный текст на elibrary.ru
Публикация в Journal of Optical Technology
Дымшиц О.С., Букина В.С., Еремеев К.Н., Алексеева И.П., Центер М.Я., Хубецов А.А., Басырова Л.Р., Попков В.И., Лойко П.А., Жилин А.А. Спектральные свойства и структура прозрачных стеклокристаллических материалов на основе алюмомагниевой и алюмоцинковой шпинелей, допированных ионами железа // Оптический журнал. 2021. Т. 88. № 6. С. 48–57. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2021-88-06-48-57
Dymshits O.S., Bukina V.S., Eremeev K.N., Alekseeva I.P., Tsenter M.Ya., Khubetsov A.A., Basyrova L.R., Popkov V.I., Loiko P.A., Zhilin A.A. Spectral properties and structure of transparent glass-ceramics based on Fe:MgAl2O4 and Fe:ZnAl2O4 crystals [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2021. V. 88. № 6. P. 48–57. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2021-88-06-48-57
O. S. Dymshits, V. S. Bukina, K. N. Eremeev, I. P. Alekseeva, M. Ya. Tsenter, A. A. Khubetsov, L. R. Basyrova, V. I. Popkov, P. A. Loiko, and A. A. Zhilin, "Spectral properties and structure of transparent glass-ceramics based on Fe:MgAl2O4 and Fe:ZnAl2O4 crystals," Journal of Optical Technology. 88(6), 323-329 (2021). https://doi.org/10.1364/JOT.88.000323
Впервые получены прозрачные стеклокристаллические материалы на основе наноразмерных кристаллов алюмомагниевой и алюмоцинковой шпинелей, допированные ионами железа и перспективные для устройств лазерной техники средней инфракрасной области спектра. Данные материалы синтезированы термообработкой стёкол специальных составов в интервале температур 720–1050 °С. Стёкла и стеклокристаллические материалы исследованы методами рентгенофазового анализа, спектроскопии комбинационного рассеяния света и оптического поглощения. Измерены их плотность и получены данные дифференциальной сканирующей калориметрии. Представлены результаты сравнительного исследования их структуры и спектральных свойств. Показано, что в стеклокристаллических материалах ионы железа входят в тетраи октаэдрические позиции кристаллов со структурой шпинели. Увеличение температуры термообработки вызывает рост интенсивности поглощения в области 2 мкм, обусловленный переходом 5E → 5T2(5D) ионов Fe2+ в тетраэдрических позициях в кристаллах шпинелей.
стеклокристаллические материалы, структура, нанокристаллы MgAl2O4, нано- кристаллы ZnAl2O4, ионы железа, спектры поглощения
Благодарность:Работа выполнена при частичной поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант № 19-03-00855.
Коды OCIS: 160.6990, 160.4670, 160.4236, 160.2750, 300.1030, 300.6450, 160.4760
Список источников:1. Mirov S., Fedorov V., Moskalev I., Martyshkin D., Kim C. Progress in Cr2+ and Fe2+ doped mid-IR laser materials // Laser Photon. Rev. 2010. V. 4. N. 5. P. 21–41.
2. Malyarevich A.M., Denisov I.A., Yumashev K.V., Dymshits O.S., Zhilin A.A. Optical absorption and luminescence study of cobalt-doped magnesium aluminosilicate glass ceramics // J. Opt. Soc. Am. B. 2002. V. 19. N. 8. P. 1815–1821. https://doi.org/10.1364/JOSAB.19.001815.
3. Malyarevich A.M., Denisov I.A., Volk Y.V., Yumashev K.V., Dymshits O.S., Zhilin A.A. Nanosized glassceramics doped with transition metal ions: nonlinear spectroscopy and possible laser applications //
J. Alloys Compd. 2002. V. 341. NN 1–2. P. 247–250. https://doi.org/10.1016/S0925-8388(02)00102-0.
4. Loiko P.A., Dymshits O.S., Skoptsov N.A., Malyarevich A.M., Zhilin A.A., Alekseeva I.P., Tsenter M.Y., Bogdanov K.V., Mateos X., Yumashev K.V. Crystallization and nonlinear optical properties of transparent glassceramics with Co:Mg(Al,Ga)2O4 nanocrystals for saturable absorbers of lasers at 1.6–1.7 μm // J. Phys. Chem. Sol. 2017. V. 103. P. 132–141. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2016.12.017.
5. Loiko P., Belyaev A., Dymshits O., Evdokimov I., Vitkin V., Volkova K., Tsenter M., Volokitina A., Baranov M., Vilejshikova E., Baranov A., Zhilin A. Synthesis, characterization and absorption saturation of Co:ZnAl2O4 (gahnite) transparent ceramic and glass-ceramics: A comparative study // J. Alloys Compd. 2017. V. 725. P. 998–1005. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.07.239.
6. Glazunov I.V., Malyarevich A.M., Yumashev K.V., Dymshits O.S., Alekseeva I.P., Tsenter M.Y., Bogdanov K.V., Zapalova S.S., Zhilin A.A. Linear and non-linear optical properties of transparent glass-ceramics based on Co2+-doped Zn(Al,Ga)2O4 spinel nanocrystals // J. Non-Cryst. Solids. 2021. V. 557. P. 120627 (1–10). https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2020.120627.
7. Dymshits O., Vitkin V., Alekseeva I., Khubetsov A., Tsenter M., Polishchuk A., Volokitina A., Serres J.M., Mateos X., Zhilin A., Loiko P. Transparent glass-ceramics based on Co2+-doped γ-GaxAl2–xO3 spinel nanocrystals for passive Q-switching of Er lasers // J. Lumin. 2021. V. 234. P. 117993 (1–12). https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2021.117993.
8. Yumashev K.V., Denisov I.A., Posnov N.N., Prokoshin P.V., Mikhailov V.P. Nonlinear absorption properties of Co2+: MgAl2O4 crystal // Appl. Phys. B. 2000. V. 70 P. 179–194. https://doi.org/10.1007/s003400050029.
9. Hanamura E., Kawabe Y., Takashima H., Sato T., Tomita A. Optical properties of transition-metal doped spinels // J. Nonlinear Opt. Phys. Mater. 2003. V. 12. N. 4. P. 467–473. https://doi.org/10.1142/S0218863503001584.
10. Pinckney L.R. Transparent, high strain point spinel glass-ceramics // J. Non-Cryst. Solids. 1999. V. 255. P. 171–177. https://doi.org/10.1016/S0022-3093(99)00368-3.
11. Alekseeva I., Dymshits O., Tsenter M., Zhilin A., Golubkov V., Denisov I., Skoptsov N., Malyarevich A., Yumashev K. Optical applications of glass-ceramics // J. Non-Cryst. Solids. 2010. V. 356. N. 52–54. P. 3042–3058. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2010.05.103.
12. Golubkov V.V., Dymshits O.S., Zhilin A.A., Chuvaeva T.I., Shashkin A.V. On the phase separation and crystallization of glasses in the MgO-Al2O3-SiO2-TiO2 system // Glass Phys. Chem. 2003. V. 29. N. 3. P. 254–266.
13. Golubkov V.V., Dymshits O.S., Petrov V.I., Shashkin A.V., Tsenter M.Ya., Zhilin A.A., Kang Uk. Small-angle X-ray scattering and low-frequency Raman scattering study of liquid phase separation and crystallization in titania-containing glasses of the ZnO–Al2O3–SiO2 system // J. Non-Cryst. Solids. 2005. V. 351. N. 8–9. P. 711–721. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2005.01.071.
14. Golubkov V.V., Chuvaeva T.I., Dymshits O.S., Shashkin A.A., Zhilin A.A., Byun W.-B., Lee K.-H. The influence of NiO on phase separation and crystallization of glasses of the MgO–Al2O3–SiO2–TiO2 system // J. Non-Cryst. Solids. 2005. V. 351. N. 8–9. P. 711–721. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2004.08.020.
15. Alekseeva I., Baranov A., Dymshits O., Ermakov V., Golubkov V., Tsenter M., Zhilin A. Influence of CoO addition on phase separation and crystallization of glasses of the ZnO-Al2O3-SiO2-TiO2 system // J. Non-Cryst. Solids. 2011. V. 357. N. 24. P. 3928–3939. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2011.08.011.
16. Dugue A., Dymshits O., Cormier L., Loiko P., Alekseeva I., Tsenter M., Bogdanov K., Lelong G., Zhilin A. Structural transformations and spectroscopic properties of Ni-doped magnesium aluminosilicate glassceramics nucleated by a mixture of TiO2 and ZrO2 for broadband near-IR light emission // J. Alloys Compnd. 2019. V. 780. P. 137–146. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.11.247.
17. El-Shafi N.A., Morsi M.M. Optical absorption and infrared studies of some silicate glasses containing titanium // J. Mater. Sci. 1997. V. 32. N. 19. P. 5185–5189. https://doi.org/10.1023/A:1018685904770.
18. Bausa L.E., Sole J.G., Duran A., Fernandez Navarro J.M., Characterization of titanium induced optical absorption bands in phosphate glasses // J. Non-Cryst. Solids. 1991. V. 127. P. 267–272. https://doi.org/10.1016/0022-3093(91)90479-P.
19. Höland W., Beall G.H. Glass-ceramic technology (second edition). New Jersey: Wiley, 2012. 414 p.
20. Варгин В.В. Производство цветного стекла / Под ред. акад. И.В. Гребенщикова. Москва-Ленинград: Гизлегпром, 1940. 284 с.
21. Bukina V., Dymshits O., Alekseeva I., Tsenter M., Zapalova S., Khubetsov A., Zhilin A., Basyrova L., Volokitina A., Serres J.M., Mateos X., Loiko P. Optical glass-ceramics based on nanosized crystals of magnesium aluminate spinel doped with iron ions // J. Phys.: Conf. Ser. 2020. V. 1697. P. 012156 (1–6). https://doi.org/10.1088/1742-6596/1697/1/012156.
22. Eremeev K., Dymshits O., Alekseeva I., Khubetsov A., Zapalova S., Tsenter M., Basyrova L., Loiko P., Zhilin A., Popkov V. Spectral properties of novel transparent glass-ceramics based on Fe2+:ZnAl2O4 nanocrystals // J. Phys.: Conf. Ser. 2020. V. 1697. P. 012125 (1–6). https://doi.org/10.1088/1742-6596/1697/1/012125.
23. MAUD materials analysis using diffraction, a Rietveld extended program to perform the combined analysis. http://maud.radiographema.eu/.
24. Lipson H., Steeple H. Interpretation of X-ray powder patterns. London: McMillan Martins Press, 1970. 383 p.
25. Vrankić M., Gržeta B., Mandić V., Tkalčec E., Milošević S., Čeh M., Rakvin B. Structure, microstructure and photoluminescence of nanocrystalline Ti-doped gahnite // J. Alloys Compnd. 2012. V. 543. P. 213–220. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2012.07.073.
26. Fregola R.A., Skogby H., Bosi F., D’Ippolito V., Andreozzi G.B., Hålenius U., Optical absorption spectroscopy study of the causes for color variations in natural Fe-bearing gahnite: Insights from iron valency and site distribution data // American Mineralogist. 2014. V. 99. N. 11–12. P. 2187–2195. https://doi.org/10.2138/am-2014-4962.
27. Higgins J.B., Ribbe P.H., Herd R.K. Sapphirine I. Сrystal chemical contributions // Contrib. Mineral. Petrol. 1979. V. 68. P. 349–356. https://doi.org/10.1007/BF01164519.
28. Alekseeva I., Baranov A., Dymshits O., Ermakov V., Golubkov V., Tsenter M., Zhilin A. Influence of CoO addition on phase separation and crystallization of glasses of the ZnO–Al2O3–SiO2–TiO2 system // J. Non-Cryst. Solids. 2011. V. 357. P. 3928–3939. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2011.08.
29. Bobovich Ya.S. Spectroscopic investigation of titanium coordination in some vitreous materials // Opt. Spektrosk. 1963. V. 14. N. 5. P. 647–654. (Opt. Spectrosc. (Engl.Transl.))
30. Chopelas A., Hofmeister A.M. Vibrational spectroscopy of aluminate spinels at 1 atm and of MgAl2O4 to over 200 kbar // Phys. Chem. Minerals. 1991. V. 18. N. 5. P. 279–293. https://doi.org/10.1007/BF00200186.
31. Slotznick S., Shim S.-H. In situ Raman spectroscopy measurements of MgAl2O4 spinel up to 1400 °C // Amer. Miner. 2008. V. 93. N. 2–3. P. 470–476. https://doi.org/10.2138/am.2008.2687.
32. Mohaček-Grošev V., Vrankić M., Maksimović A., Mandić V. Influence of titanium doping on the Raman spectra of nanocrystalline ZnAl2O4 // J. Alloys Compnd. 2017. V. 697. P. 90–95. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.12.116.
33. D’Ippolito V., Andreozzi G.B., Lottici P.P., Bersani D. Raman study of MgAl2O4–FeAl2O4 and MgAl2O4–MgFe2O4 spinel solid solutions // Period. di Mineral., ECMS 2015. 2015. P. 61–62.
34. Gaffney E.S. Spectra of Tetrahedral Fe2+ in MgAl2O4 // Phys. Rev. B. 1973. V. 8. N. 7. P. 3484–3486. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.8.3484.
35. Lenaz D., Skogby H., Nestola F., Princivalle F. OH incorporation in nearly pure MgAl2O4 natural and synthetic spinels // Geochim. Cosmochim. Acta. 2008. V. 72. N. 2. P. 475–479. https://doi.org/10.1016/j.gca.2007.10.020.
36. Bromiley G.D., Nestola F., Redfern S.A.T., Zhang M. Water incorporation in synthetic and natural MgAl2O4 spinel // Geochim. Cosmochim. Acta. 2010. V. 74. N. 2. P. 705–718. https://doi.org/10.1016/j.gca.2009.10.015.