共沉淀法制备Nd_精品文档Word下载.doc

1、透明激光陶瓷 Nd:YAG纳米粉体 共沉淀法 荧光性质目 录论文总页数：16页1 引言12 国内外对三氧化钼纳米颗粒的研究进展22.1 纳米MoO3的基本性质22.2 纳米材料的特性及纳米MoO3颗粒的研究32.2.1 纳米材料的特性32.2.2 纳米MoO3颗粒的研究32.3 纳米MoO3的制备方法42.3.1 热蒸发法42.3.2 沉淀法52.3.3 模板限制辅助生长法52.3.4 其它制备方法53 实验制备三氧化钼掺铝纳米颗粒63.1 样品的制备63.2 实验设备63.3 实验样品的制备64 实验结果与分析84.1 形貌及晶体结构性能分析84.1.1 3组SEM对照分析84.2 光学性能

2、的研究94.2.1 退火后4组样品的发光性质94.2.2 通过激发光谱和发射光谱对样品光学性质的分析研究104.3 退火后样品XRD分析104.3.1 退火后4组样品的XRD图谱与分析104.3.2 晶胞参数的计算与分析12结 论13参考文献13致 谢15声 明161 引言近年来, 随着半导体激光器（ LD） 的飞速发展, 全固态激光器已成为当前激光及信息产业发展的一个热点。固体激光器的发展朝向微小型化和高功率化, 新时期我国国家安全和能源所急需的惯性约束核聚变（ ICF） 所用的大型激光器的功率达到GW 量级（ 几个焦耳） , 其核心材料就是固体激光工作物质。自20 世纪60 年代以来, 掺

3、钕钇铝石榴石（ Nd:YAG） 晶体就作为应用最广的材料不断发展, 由于该晶体生长特性的限制, 难以得到大尺寸、高掺杂浓度、高质量晶体。经过各国科研人员多年研究, 发现YAG 多晶透明陶瓷具有和YAG 单晶相媲美的激光性能, 而且相对于单晶, 还具有如下优点14: （ 1） 易于合成大尺寸、可控形状的材料; （ 2） 断裂韧度高, 达到单晶的3 倍强度; （ 3） 能实现激活离子的均匀高掺杂, 使得Nd:YAG 激光陶瓷比单晶的具有更高的电光转换效率。于是涉及纳米粉体的化学制备, 纳米微晶的生长机制, 透明纳米晶界陶瓷的制备工艺, 材料的界面和表面的性能的表征及光谱和激光性质的研究等的Nd:Y

4、AG一类透明陶瓷激光工作物质的研究工作引起大家关注。随着陶瓷工艺和纳米技术的发展, 国内外在此方面的研究已经取得突破性进展, 尤其以日本科学家在此方面成就为著, 但其制备技术处于高度保密状态, 各国科研人员仍在各自探索。2 研究背景2 YAG陶瓷制备的研究进展与现状1995 年，日本的 Ikesue 采用固相法制备出 Nd:YAG 透明陶瓷，得到了第一台用 Nd:YAG 透明陶瓷作为激光工作物质的陶瓷激光器实现了激光输出，其斜率效率为 28，输出功率为 70mW。19962002 年，Ikesue 等对 Nd Y AG陶瓷性能及制备进行了进一步研究。结果表明：采用固相反应和真空烧结工艺方法可以

5、得到相对密度为 99.98%的高透明YAG 陶瓷，其平均晶粒尺寸为 50nm，在可见光范围的透光率比上述研究进一步提高，达到 80%以上，激光振荡阈值和转换效率分别为 309mw 和 28%，光散射损失、硬度、光吸收及激光性能等也与单晶 YAG 相同或稍优于单晶材料。此后几年里，Nd:YAG 透明陶瓷的制备工艺被不断地改进。目前，日本已经研制出激光的斜率效率达到 49，激光输出达到 1.46KW 的 Nd:YAG 陶瓷激光器。2006 年底，美国利弗莫尔国家实验室的固态激光器采用日本神岛化学公司提供的板条状 YAG 透明陶瓷制作的热容激光器输出功率已经达到 67 kW，这引起了军方的高度关注。

6、国内关于 YAG 透明陶瓷的研究始于2000年。2003年，东北大学孙旭东等采用固相反应真空烧结法制备了 YAG 透明陶瓷，2004 年，采用同样的工艺制备了Nd:YAG 透明陶瓷。2008 年 12 月在中科院理化所许祖彦院士实验室成功获得1064nm 的连续激光输出。但是到目前为止，国内在这方面的研究仍处于起步阶段，还没有形成真正应用于实际需求的产品。2.1 YAG的晶体结构与组成石榴石原是指一系列自然产出的硅酸盐矿物。石榴石的化学成分可以表示为A3B2（Si04）3。钇铝石榴石（YAG）的化学式为Y3A15O12,它是属于立方晶系,具有石榴石结构,空间群为Oh（10）一Ia3d,晶格常数

7、为12.005埃,每个晶胞中含有八个Y3A15O12分子。总共有24个钇离子、40个铝离子和96个氧离子。每个钇离子各处于由8个氧离子配位的十二面体的L格位,16个铝离子均处于由6个氧离子配位的八面体的B格位,24个铝离子各处于由4个氧离子配位的四面体的A格位。八面体的铝离子形成的是体心立方结构,四面体的铝离子和十面体的钇离子处在立方体的面等分线上,八面体及四面体都是变形的，钇铝石榴石中Y-O键的长度是2.45埃,三价钇离子与稀土离子的半径接近,使十二面体格位中掺杂一定数目的三价稀土离子作为激活离子,这是石榴石系列的一个突出特点,即晶体结构中可以有较大范围的阳离子取代。其结构5如图1.1 2.

8、2 YAG的性质与用途YAG的结构是由互相连接着的八面体和四面体所组成的,具有特定的结构,所以具有非常优良的物理、化学和机械特性6。YAG从低温到高温熔点,其结构都很稳定,其强度和硬度也很高，表1.2列出了YAG的基本物理化学性质7。表1.2 YAG的物理化学性质YAG的一个突出特点是在晶体结构中实现较大范围的阳离取代。由于三价钇离子的半径和稀土离子的半径比较接近,通过三价稀土离子取代YAG中的三价钇离子,从而可以在钇铝石榴石中掺杂一定数量的激活离子,使其具有特殊的光学性能,如La系的稀土元素三价离子因离子半径与三价钇非常相近,就可以取代Y3+形成Nd（Yb,Th,Er）:YAG。而三价铝离子

9、的半径小,不容易被稀土离子取代实现掺杂。所以掺Nd:YAG是目前能在室温下连续工作的唯一实用的固体物质。YAG单晶具有优异的光学性质和机械性能,使其可以制作高温紫外和红外窗口;如果掺入激活离子后还可以产生荧光和激光,并且不同激活离子可以发出不同波长的激光。因此,Nd:YAG激光器成为最常用的固体激光光源,其在室温下可以实现连续和脉冲等多种方式的运转8。2.3 Nd:YAG的性质Nd:YAG激光器是目前最常用的一类固体激光器,其参量特别有利于激光的产生。这主要是因为YAG基质硬度较高、光学质量好、热导率高,此外YAG的立方结构也有利于产生窄的荧光谱线,从而产生高增益、低闲值的激光作用。在Nd:Y

10、AG中,Nd3+替代了Y3+,因此不需要补偿电荷。（1）物理性质YAG除了非常优越的光谱和激光特性外,其基质材料的晶格引起非常有吸定,还没有它在固相中相变的报道,YAG的强度虽低于红宝石,但仍然很高,足以保障在正常的生产过程中不会出现严重的断裂问题。纯的YAG是无色、光学各向同性的晶体,它是立方结构。YAG中大约有lat%的Y3+被Nd3+取代,两种稀土离子的半径差大约为3%,因此当大量Nd3+加入后,晶体就会出现应变-这表明超过了Nd3+的溶解度,或者掺入Nd3+后严重破坏了YAG的晶格。（2） 激光性质YAG激光器为四能级系统,波长为10641埃的激光跃迁始自4F3/2能级的R2分量,终止

11、于4Fll能级的Y3分量。在室温下,只有40%粒子数在R2线上,根据玻尔兹曼定律,余下的60%在较低的R1子能级,激光作用仅仅由R2产生,而R2能级的粒子数能通过热跃迁由Rl补给。YAG的基能级为4F9/2能级,还有很多相对较窄的能级,可以认为它们共同构成泵浦能级,在主要的泵浦中,0.81微米带和0.75微米带最强,终端能级比基能级高出2llkm-1,因此其粒子数密度是基能级的exp（E/KT）exp（-10）倍。由于终端能级没有热粒子数,因而很容易达到闭值条件。3 粉体制备技术目前制备YAG纳米粉体的主要方法包括:固相反应法、燃烧法、化学沉淀法、溶胶一凝胶法、水/有机溶剂热法等。3.1 固相

12、反应法固相反应法是发光材料的一种传统的合成方法,具有工艺简单、成本低、效率高的优点,其基本过程如下:首先把固体原料相互混合,然后进行长时间加热,使反应在高温下通过接触截面发生离子的至扩散和互扩散,或者使原有的化学键发生断裂,这种变化向固体原料内部或深度扩散,最终导致一种新物质的生成。反应物颗粒越细,其比表面积越大,反应物颗粒之间的接触面积就越大,有利于固相反应的进行。传统的合成YAG的固相法是以高纯Y2O3、Al2O3等为原料,按YAG的化学计量比配料混合磨细,经锻烧后再次研磨到一定的粒度9。所以,固相反应是一个比较复杂的多相扩散反应,反应过程中要经历Y中间相,最终才能生成纯YAG相。因此,需

13、要较高的焙烧温度,导致晶粒的粗化且分布范围宽,特别是高温合成的粉体易于形成硬团聚,而且配料需要长时间的研磨,易于引入杂质,最终影响了粉体的可烧结性能。研究10、11表明如果采用纳米级且无团聚的粉体为原料,可在一定程度上降低烧结温度。闻雷12等采用高纯Y2O3和Al2O3微米级超细粉体作为原料,1700度真空烧结5h得到了高透光的YAG多晶陶瓷。3.2 燃烧法燃烧法利用有机燃料和金属盐溶液之间的放热反应,其释放出大量的热能可使反应体系很快升温到1600度以上,由于升温迅速不同于传统的固相反应,可能不经过中间相,而直接生成YAG相。此方法即节能又省时,更重要的是反应物在合成过程中处于高度均匀分散状

14、态,反应时原子只需短程扩散即可进入晶格位点,加之反应速度快,前驱物的形成和氧化物的分解温度又很低,因此使得产物粒度小,粒径分布均匀影响反应的因素包括燃料的类型,燃料与金属盐的摩尔比以及燃烧的温度等。燃烧过程中发生的化学反应包括:溶液的燃烧和溶液的分解。该方法虽然具有生产过程简便、反应迅速、产品纯度高、发光亮度不易受破坏、节省能源、节约成本的优点,但反应中存在反应过程剧烈而难以控制、不易工业大规模生产等缺点13。3.3 化学沉淀法化学沉淀法是工业大规模生产中用的最多的一种,由于其成本低,工艺易于控制,一直受到广泛的欢迎。化学沉淀法有很多种,其原理相同。包含一种或多种离子的可溶性盐溶液,当加入沉淀剂后,或在一定温度下使溶液发生水解,形成不溶性的氢氧化物、水合物或盐类,从溶液中析出,并将溶剂和溶液中原有的阴离子洗去,经热分解和脱水即可得到所需的氧化物粉料。沉淀法又分为以下几种:（1） 共沉淀法含多种阳离子的溶液加入沉淀剂后,所有离子完全沉淀的方法称共沉淀法。对于制备YAG纳米粉体来说,共沉淀法是在混合溶液中加入合适的沉淀剂,使得Y和Al离子完全沉淀的方法14、15。通常分为正滴和反滴2种方式。正滴是指沉淀剂滴入母盐溶液中,反滴是母盐溶液滴入沉淀剂溶液中。vrolijk等