原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷) 期刊

Cite this article: Zhang L, Hu D, Li X, et al. Effect of Y substitution on the microstructure, magneto-optical, and thermal properties of (Tb_1-xY_x)₃Al₅O₁₂ transparent ceramics. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(4): 529-538. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220875

1、研究背景

在高功率激光器件中，法拉第光隔离器是防止前端系统受到反射光束干扰和破坏的重要部件之一。磁光材料作为法拉第光隔离器的核心部件，人们已对其开展了广泛而深入的研究。在应用于可见到近红外波段的磁光材料中，Tb₃Al₅O₁₂ (TAG) 磁光材料具有高Verdet常数、高热导率、高激光损伤阈值、热光性能优异等优点。由于TAG非一致熔融的特性，大尺寸、高质量TAG单晶的制备十分困难，而采用透明陶瓷的制备途径，可以巧妙地规避非一致熔融问题，因此TAG磁光陶瓷越来越受到人们的关注。目前，为了满足高功率法拉第光隔离器的应用需求，TAG磁光陶瓷在光学质量上仍需进一步提升。TAG相的固溶范围较窄，陶瓷中极易出现引起光学散射的第二相，严重影响了TAG陶瓷的光学质量。在此我们提出在TAG中加入Y₂O₃，由于Y³⁺的离子半径（1.019 Å）小于Tb³⁺（1.040 Å）的离子半径，在TAG陶瓷中以Y取代Tb制备(Tb_1-xY_x)₃Al₅O₁₂陶瓷，可使反位缺陷Al_Y^x、Y_Al^x比Al_Tb^x、Tb_Al^x更容易形成，因此TYAG陶瓷更能容忍化学计量配比的偏离而不析出第二相，即Y的取代将起到增大TAG固溶范围、提升陶瓷光学质量的作用。

2、文章亮点

本文采用Y₂O₃作为添加剂，有效抑制了(Tb_1-xY_x)₃Al₅O₁₂陶瓷中的第二相，使陶瓷的光学损耗降低了约一个数量级，成功制备了高光学质量的(Tb_1-xY_x)₃Al₅O₁₂陶瓷。同时本文对抑制第二相的机理进行了讨论，并研究了Y含量对陶瓷的磁光、热学性能的影响。结果表明，Y₂O₃作为一种新型的添加剂，其对TAG陶瓷磁光综合性能的提升具有积极作用。

3、研究结果及结论

采用固相反应真空烧结法结合HIP处理制备了(Tb_1-xY_x)₃Al₅O₁₂（x=0, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3）磁光陶瓷，探究了Y取代对TYAG陶瓷物相、微观结构与各项性能的影响。结果表明，随着Y含量的增加，晶胞参数和理论密度逐渐减小；Y的取代有助于减少陶瓷中的氧化铝第二相，而由于第二相钉扎作用的消除，陶瓷的晶粒尺寸有所增大，但并未出现晶粒异常生长现象；20at.% Y取代后所得(Tb_0.8Y_0.2)₃Al₅O₁₂陶瓷中第二相、气孔含量较少，晶界薄且干净，其也具有最高的光学透过率，厚度为1.9 mm的样品在1064 nm处直线透过率达到82.9%，其光学损耗相比未添加Y₂O₃的TAG陶瓷降低了一个数量级；采用消光法测得TAG陶瓷在633 nm处的Verdet常数为-188.1 rad·T^-1·m^-1，经过5at.%、10at.%、20at.%、30at.% 的Y离子取代后，陶瓷的Verdet常数分别降低6.8%、10.4%、24.0%和36.2%；20at.%Y取代后TAG陶瓷的热导率从5.23 W·m^-1·K^-1仅降低至4.74     W·m^-1·K^-1。由于光学损耗直接影响法拉第隔离器的消光比、插入损耗、光束质量变化等诸多性能，是磁光陶瓷最受关注的性能之一。因此，可以认为Y₂O₃是一种有益的添加剂，可用于提升磁光TAG陶瓷的光学质量。

4、作者及研究团队简介

李江（通讯作者），中国科学院上海硅酸盐研究所研究员，博士生导师，国家重点研发计划项目首席科学家。现任《Journal of the American Ceramic Society》副主编、《International Journal of Applied Ceramic Technology》副主编、《无机材料学报》、《Journal of Advanced Ceramics》、《Magnetochemistry》、《现代技术陶瓷》、《人工晶体学报》等期刊的编委。目前主要从事光学与光功能透明陶瓷（包括：激光陶瓷、闪烁陶瓷、磁光陶瓷、荧光陶瓷等）的基础与应用研究。连续3年入选美国斯坦福大学发布的“终身科学影响力排行榜”（全球前2%顶尖科学家榜单）。受邀在国内外重要学术会议上做邀请报告60余次（20余次担任分会主席）。以项目负责人承担国家重点研发项目重点专项、国家自然科学基金项目、中国科学院前沿科学重点项目等20余项。迄今在J. Am. Ceram. Soc.，J. Eur. Ceram. Soc.，J. Adv. Ceram., Scr. Mater., Phys. Rev. Applied等国内外重要学术期刊上发表论文417篇（其中SCI收录357篇，第一作者及通讯作者251篇）；合著科学出版社专著《高温结构陶瓷研究浅论》和《先进光功能透明陶瓷》2部；合译高等教育出版社专著《发光材料》1部；参与2部英文专著Modern Inorganic Synthetic Chemistry（Elsevier出版社）和《Processing of Ceramics: Breakthroughs in Optical Materials》（Wiley出版社）部分章节的撰写；申请中国发明专利50余项（其中授权25项）。

章立轩（第一作者），中国科学院上海硅酸盐研究所材料物理与化学专业博士研究生，研究方向为高功率法拉第光隔离器用磁光陶瓷的微结构控制与性能研究，目前以第一作者发表SCI论文8篇，合作发表论文10余篇，参与申请中国发明专利3项。

Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊简介

Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊是由中华人民共和国教育部主管、清华大学出版社主办、清华大学出版社出版的国际学术期刊。2022年期刊影响因子为16.9，在SCI“材料科学：陶瓷”分类的28本期刊中排名第1。本刊就此成为SCI“材料科学：陶瓷”分类中首个影响因子突破15.0的期刊。

期刊中文网页：https://www.th-jac.com/

期刊英文网页：https://www.sciopen.com/journal/2226-4108

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