Исследование многослойных керамик YAG/YSZ, активированных ионами редкоземельных элементов

Валиев Д.Т., Степанов С.А., Пайгин В.Д., Двилис Э.С., Хасанов О.Л., Шевченко И.Н., Деулина Д.Е.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Валиев Д.Т., Степанов С.А., Пайгин В.Д., Двилис Э.С., Хасанов О.Л., Шевченко И.Н., Деулина Д.Е. Исследование многослойных керамик YAG/YSZ, активированных ионами редкоземельных элементов // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 5. С. 105–114. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-05-105-114

Valiev D.T., Stepanov S.A, Paygin V.D., Dvilis E.S., Khasanov O.L., Shevcheko I.N., Deulina D.E. Investigation of YAG/YSZ multilayer ceramics doped with rare earth ions [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 5. P. 105–114. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-05-105-114

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Многослойные керамики YAG/YSZ, активированные ионами редкоземельных элементов. Цель работы. Изготовление люминесцентной многослойной керамики состава YAG:CeO2/YSZ:Eu2O3 с повышенным фактором формы методом электроимпульсного плазменного спекания и определение комплекса ее оптико-люминесцентных характеристик с потенциалом применения в качестве преобразователя излучения. Метод. Исследуемые образцы керамики получены электроимпульсным плазменным спеканием. Оценка морфологии и спектрально-люминесцентных свойств материалов проведена методами электронной микроскопии, фото- и катодолюминесцентной спектрометрии. Основные результаты. Продемонстрирована возможность изготовления люминесцентной многослойной керамики YAG:CeO2/YSZ:Eu2O3 методом электроимпульсного плазменного спекания с повышенным фактором формы. Изучена динамика относительной усадки. Показано, что параметры электроимпульсного плазменного спекания (температура 1450 ^оC, давление подпрессовки 80 МПа, продолжительность изотермической выдержки 30 мин) являются достаточными для получения относительно плотной многослойной керамики выбранного состава. Проведенные исследования спектральных характеристик излучения функционально-градиентной керамики YAG/YSZ с оксидами европия и церия позволили установить основные типы центров свечения и определить взаимное влияние различных слоев на результирующий спектр свечения. Спектры интегральной катодо- и фотолюминесценции полученной многослойной керамики согласуются с известными представлениями о центрах свечения в однослойных материалах YAG и YSZ. Практическая значимость. Полученные в работе результаты комплексных исследований многослойных керамических материалов на основе YSZ/YAG, активированных ионами редкоземельных элементов, могут быть использованы в качестве преобразователей мощного лазерного излучения.

Ключевые слова:

YAG, YSZ, функционально-градиентная керамика, электроимпульсное плазменное спекание, люминесценция

Благодарность:

работа поддержана Российским научным фондом, проект № 21–73–10100.
В работе применялось оборудование ЦКП НОИЦ НМНТ ТПУ, поддержанного проектом Минобрнауки России № 075-15-2021-710

Коды OCIS: 160.4670, 160.5690, 300.6170

Список источников:

1. Качаев А.А., Ваганова М.Л., Гращенков Д.В. и др. Керамические функционально-градиентные материалы (обзор) // Перспективные материалы. 2016. Т. 9. С. 51–58. Kachaev A.A., Vaganova M.L., Grashchenkov D.V., et al. Ceramic functionally-graded materials (review) [in Russian] // Promising Materials. 2016. V. 9. P. 51–58.
2. Udupa G., Rao S.S., Gangadharan K.V. Functionally graded composite materials: An overview // Proc. Mater. Sci. 2014. V. 5. P. 1291–1299. https://doi.org/10.1016/j.mspro.2014.07.442
3. Wu D., Shi J., Niu F., et al. Direct additive manufacturing of melt growth Al2O3-ZrO2 functionally graded ceramics by laser directed energy deposition // J. Europ. Ceram. Soc. 2022. V. 42. P. 2957–2973. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2022.01.034
4. Ebrahimi F. Advances in functionally graded materials and structures. InTech. 2016. 130 p.
5. Valiev D., Stepanov S., Paygin V., et al. Sintering and characterization of novel multilayered MgAl2O4/YAG, MgAl2O4/YSZ and YAG/YSZ ceramic-ceramic architectures for photonic applications // Ceram. Internat. 2023. V. 49. № 21. P. 33557–33565. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.07.277
6. Stepanov S., Khasanov O., Dvilis E., et al. Defects formation in YSZ ceramics with different Y2O3 content irradiated with 0.25 MeV electrons energy // Radiat. Phys. Chem. 2021. V. 189. P. 109736. https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2021.109736
7. Khasanov O.L., Dvilis E.S., Polisadova E.F., et al. The influence of intense ultrasound applied during pressing on the optical and cathodoluminescent properties of conventionally sintered YSZ ceramics // Ultrasonics Sonochemistry. 2019. V. 50. P. 166–171. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2018.09.013
8. Емлин Р.В., Яковлев В.Ю., Куликов В.Д. и др. Поглощение света в образцах моно- и поликристаллического YAG:Nd при импульсном электронном облучении // Оптический журнал. 2020. Т. 87. № 5. С. 89–95. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2020-87-05-89-95 Emlin R.V., Yakovlev V.Yu., Kulikov V.D., et al. Light absorption in mono- and polycrystalline YAG:Nd samples under pulsed electron irradiation // J. Opt.Technol. 2020. V. 87. № 5. P. 318–322. http://dx.doi.org/10.1364/JOT.87.000318
9. Valiev D., Han T., Vaganov V., et al. The effect of Ce3+· concentration and heat treatment on the luminescence efficiency of YAG phosphor // J. Phys. Chem. Solid. 2018. V. 116. P. 1–6. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2018.01.007
10. Zhang K., Liu H., Wu Y., et al. Co-precipitation synthesis and luminescence behavior of Ce-doped yttrium aluminum garnet (YAG:Ce) phosphor: The effect of precipitant // J. Alloys Compd. 2008. V. 453. P. 265–270. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2006.11.101
11. Mares J.A., Beitlerova A., Nikl M., et al. Scintillation response of Ce-doped or intrinsic scintillating crystals in the range up to 1 MeV // Rad. Measur. 2004. V. 38. P. 353–357. https://doi.org/10.1016/j.radmeas. 2004.04.004
12. Pankratov V., Grigorjeva L., Millers D., et al. Luminescence of cerium doped YAG nanopowders // Rad. Measur. 2007. V. 42. P. 679–682. https://doi.org/10.1016/ j.radmeas.2007.02.046
13. Zamoryanskaya M.V., Orekhova K.N., Dementeva E.V., et al. Excitation capture efficiency of rare-earth ions emission levels upon electron-beam irradiation // J. Luminescence. 2021. V. 239 P. 118350. https://doi.org/ 10.1016/j.jlumin.2021.118350
14. Chen S., Wei H., Melcher C., et al. Spectroscopic properties of transparent Y3Al5O12:Eu ceramics // Opt. Mater. Exp. 2013. V. 3. P. 2022–2027. https://doi.org/10.1364/OME.3.002022
15. Smits K., Grigorjeva L., Millers D., et al. Europium doped zirconia luminescence // Opt. Mater. 2010. V. 32. P. 827–831. https://doi.org/10.1016/j.optmat. 2010.03.002