中国科学院上海硅酸盐研究所制备并优化铽铝石榴石基磁光陶瓷性能

铽铝石榴石（Tb₃Al₅O₁₂, TAG）磁光陶瓷具有高Verdet常数、高热导率、高激光损伤阈值等优点，在高功率激光系统中具有重要的应用前景。中国科学院上海硅酸盐研究所李江研究员团队近期在TAG基磁光陶瓷方向取得系列研究进展。

近期，李江研究员团队采用固相反应烧结结合热等静压（HIP）处理技术制备了TAG磁光陶瓷，并对其光学、磁光、热学性能进行了系统研究。研究发现，经过HIP处理后，TAG陶瓷在1064nm处的直线透过率达到81.5%，吸收系数为2.5×10^-3 cm^-1，冷消光比达到55dB，并可实现~1.2kW的有效磁光隔离。该研究结果证实了TAG磁光陶瓷在高功率法拉第隔离器中具有优良的应用前景。相关研究成果发表于Journal of the American Ceramic Society（2024, 107: 3653-3658）。

TAG磁光陶瓷的实物图与直线透过率曲线

TAG磁光陶瓷的热退偏曲线

由于TAG固溶范围窄，易析出第二相，TAG陶瓷化学计量配比的精确控制是提升TAG磁光陶瓷光学质量的重点与难点。近期，李江研究员团队开展了关于Y³⁺部分取代Tb³⁺，并采用两步烧结技术制备TYAG磁光陶瓷的研究工作。研究发现，随着Y含量的增加，(Tb_1-xY_x)₃Al₅O₁₂ (x=0, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3) 陶瓷中的氧化铝第二相含量明显降低，光学透过率提高。所得 (Tb_0.8Y_0.2)₃Al₅O₁₂陶瓷在1064nm处的直线透过率达82.9%，在633nm处的直线透过率为82.2%。结果表明，通过添加Y₂O₃可使TAG磁光陶瓷的光学损耗降低约一个数量级，大大提高了陶瓷的光学质量，有利于应用性能的提升。研究发现，TYAG陶瓷的磁光性能、热学性能随着Y含量的提高，有不同程度的下降。添加20at.%Y后，磁光陶瓷的Verdet常数下降约24%，仍高于TGG磁光晶体；热导率下降约9.4%，降低后与TGG单晶热导率相当。经过综合考虑TYAG陶瓷的性能，确认Y₂O₃是一种有效的添加剂，有利于提升TAG基磁光陶瓷的综合性能。相关研究成果发表在Journal of Advanced Ceramics（2024, 13: 529-538）。上述论文的第一作者均为上海硅酸盐所博士研究生章立轩，通讯作者为上海硅酸盐所李江研究员。

不同Y含量TYAG磁光陶瓷的（a）实物图与直线透过率，（b）理论透过率与光学损耗

为了进一步提升TAG磁光陶瓷的固溶范围，防止第二相产生，同时又希望保持TAG陶瓷的高Verdet常数，李江研究员团队近期开展了关于TSAG磁光陶瓷的研究工作。该团队采用固相反应烧结结合HIP处理技术制备了不同Sc含量的TSAG磁光陶瓷，并从物相与晶体结构、烧结动力学、微观形貌、光学性能、磁光性能对TSAG陶瓷进行了全面而系统的研究。同时，采用第一性原理计算了TSAG陶瓷中的反位缺陷与Sc取代缺陷的形成能与缺陷浓度，从实验与理论上阐明了Sc提升TAG陶瓷固溶范围的机理。研究表明，随着Sc₂O₃添加量逐渐增加至6wt.%，TSAG陶瓷中氧化铝第二相的含量显著降低，光学质量明显提升。XRD精修与理论计算结果均表明Sc可大量占据Tb与Al 16a两种格位，因此有效地提升了TAG的固溶范围。此外，研究发现添加6wt.% Sc₂O₃后，TSAG磁光陶瓷在633nm处的Verdet常数仍可达161.4 rad·T·m^-1。通过组分优化有望进一步提升Verdet常数，直至接近纯TAG磁光陶瓷。相关研究成果发表在Journal of Advanced Ceramics（2024, doi: 10.26599/JAC.2024.9220948），论文第一作者为上海硅酸盐所博士研究生章立轩，通讯作者为上海硅酸盐所李江研究员和胡辰副研究员。

经过真空预烧结合HIP处理后所的TSAG磁光陶瓷的热腐蚀表面FESEM形貌图（a）0wt.%，（b）2wt.%，（c）4wt.%，（d）6wt.% Sc₂O₃添加量

计算所得TAG中（a）反位缺陷与（b）Sc取代缺陷的百分含量，与（c）不同Sc含量TSAG磁光陶瓷的晶胞参数实测值与计算值

相关工作得到了国家重点研发计划项目重点专项、国家重点研发计划项目政府间国际科技创新合作重点专项、中国科学院国际伙伴计划、上海市“一带一路”国际合作项目和上海市自然科学基金项目等的资助和支持。

附文章链接：

1. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220742
2. https://doi.org/10.1111/jace.19179
3. https://doi.org/10.1111/jace.19732
4. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220875
5. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220948