Полимерно-солевой синтез и исследование структуры нанопорошков модифицированного ванадием алюмоиттриевого граната

Введение. В работе низкотемпературным полимерно-солевым методом синтезированы дисперсные порошки алюмоиттриевого граната (АИГ), модифицированного ванадием (V) и проведено сопоставление их структуры с монокристаллами, выращенными традиционными высокотемпературными методами. Метод. Структура, морфология и химический состав материалов исследованы методами рентгенофазового, электронно- микроскопического и энергодисперсионного анализов. На основании данных рентгенофазового анализа выполнены расчеты параметров элементарных ячеек кристаллов АИГ в полученных порошках и монокристаллах и оценка среднего размера кристаллов в порошках. Результаты исследований структуры полученных порошков сопоставлены с данными монокристаллов АИГ:V, выращенных высокотемпературными методами. Основные результаты. Показано, что дисперсные порошки, полученные во время термообработки при 1000 °С в ходе синтеза, состоят из микроскопических агрегатов нанокристаллов АИГ:V, имеющих средний размер 43 нм и кристаллическую структуру, характерную для монокристаллов АИГ. Установлено, что вхождение ионов ванадия в структуру кристаллов АИГ и замещение ими ионов Al3+ сопровождается деформацией элементарной ячейки. Показано, что это явление наблюдается как в монокристаллах АИГ:V, выращенных высокотемпературным методом, так и в дисперсных порошках, изготовленных низкотемпературным полимерно-солевым синтезом. Экспериментальные результаты, полученные методом инфракрасной спектроскопии, показали близость структуры нанопорошков и монокристаллов АИГ:V. Обсуждение. Синтезированные дисперсные порошки могут быть использованы для создания светопоглощающей оптической керамики или органо-неорганических композитов.

1. Laguta V., Buryi M., Beitlerova A., Laguta O., Nejezchleb K., Nikl M. Vanadium in yttrium aluminum garnet: charge states and localization in the lattice // Optical Materials. 2019. V. 91. P. 228–234. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2019.03.024

2. Kruczek M., Talik E., Kusz J., Sakowska H., Świrkowicz M., Weglarz H. Electronic structure of Y3Al5O12:V single crystals, comparison with sintered ceramics // Acta Physica Polonica A. 2009. V. 115. N 1. P. 209–212. https://doi.org/10.12693/aphyspola.115.209

3. Sulc J., Jelinkova H., Nemec M., Nejezchleb K., Skoda V. V:YAG saturable absorber for flash-lamp and diode-pumped solid state lasers / / Proceedings of SPIE. 2004. V. 5460. https://doi.org/10.1117/12.544822

4. Huang H.-T., Zhang B.-T., He J.-L., Yang J.-F., Xu J.-L., Yang X.-Q., Zuo C.-H., Zhao S. Diode-pumped passively Q-switched Nd:Gd0.5Y0.5VO4 laser at 1.34 μm with V3+:YAG as the saturable absorber // Optics Express. 2009. V. 17. N 9. P. 6946–6951. https://doi.org/10.1364/OE.17.006946

5. Mikhailov V.P., Kuleshov N.V., Zhavoronkov N.I., Prokohsin P.V., Yumashev K.V., Sandulenko V.A. Optical absorption and nonlinear transmission of tetrahedral V3+ (d2) in yttrium aluminum garnet // Optical Materials. 1993. V. 2. N 4. P. 267–272. https://doi.org/10.1016/0925-3467(93)90023-T

6. Huang H.-T., He J.-L., Zhang B.-T., Yang J.-F., Xu J.-L., Zuo C.-H., Tao X.-T. V3+:YAG as the saturable absorber for a diode-pumped quasi-three-level dual-wavelength Nd:GGG laser // Optics Express. 2010. V. 18. N 4. P. 3352–3357. https://doi.org/10.1364/OE.18.003352

7. Weber M.J., Riseberg L.A. Optical spectra of vanadium ions in yttrium aluminum garnet // Journal of Chemical Physics. 1971. V. 55. N 5. P. 2032–2038. https://doi.org/10.1063/1.1676370

8. Kim T., Lee J.-K. Template-free synthesis and characterization of spherical Y3Al5O12:Ce3+ (YAG:Ce) nanoparticles // Bulletin of the Korean Chemical Society. 2014. V. 35. N 10. P. 2917–2921. https:// doi.org/10.5012/bkcs.2014.35.10.2917

9. Sokolov I.S., Maslennikov S.Y., Evstropiev S.K., Mironov L.Y., Nikonorov N.V., Oreshkina K.V. YAG:Ce3+ phosphor nanopowders and thin textured coatings prepared by polymer-salt method // Optical Engineering. 2019. V. 58. N 2. P. 027103. https://doi.org/10.1117/1.oe.58.2.027103

10. He X., Liu X., Li R., Yang B., Yu K., Zeng M., Yu R. Effects of local structure of Ce3+ ions on luminescent properties of Y3Al5O12:Ce nanoparticles // Scientific Reports. 2016. V. 6. P. 22238. https://doi.org/10.1038/srep22238

11. Муссауи А., Булыга Д.В., Игнатьев А.И., Евстропьев С.К., Никоноров Н.В. Структурные и спектральные свойства нанокристаллических порошков АИГ:Nd, АИГ:Ce и АИГ:Yb, синтезированных модифицированным методом Печини // Научнотехнический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2024. № 1. С. 1–10. https://doi.org/10.17586/2226-14942024-24-1-1-10

12. Veith M., Mathur S., Kareiva A., Jilavi M., Zimmer M., Huch V. Low temperature synthesis of nanocrystalline Y3Al5O12 (YAG) and Cedoped Y3Al5O12 via different sol-gel methods // Journal of Materials Chemistry. 1999. V. 9. N 12. P. 3069–3079. https://doi.org/10.1039/A903664D

13. Bulyga D.V., Evstropiev S.K. Intermediate products of Yb:YAG laser ceramics fabrication: structural features, morphology, and luminescent properties // Research on Chemical Intermediates. 2021. V. 47. N 8. P. 3501–3514. https://doi.org/10.1007/s11164-021-04484-w

14. Ma B., Wang B., Zhang W., Wei N., Lu T., He J. Promotion of powder crystallinity and its influence on the properties of Nd:YAG transparent ceramics // Optical Materials. 2017. V. 64. P. 384–390. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2017.01.006

15. Lukowiak A., Wiglusz R.J., Maczka M., Gluchowski P., Strek W. IR and Raman spectroscopy study of YAG nanoceramics // Chemical Physics Letters. 2010. V. 494. N 4-6. P. 279–283. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2010.06.033

16. Tucureanu V., Matei A., Avram A.M. Synthesis and characterization of YAG:Ce phosphors for white LEDs // Opto-Electronics Review. 2015. V. 23. N 4. P. 239–251. https://doi.org/10.1515/oere-2015-0038

17. Timoshenko A.D., Doroshenko A.G., Parkhomenko S.V., Vorona I.O., Kryzhanovska O.S., Safronova N.A., Vovk O.O., Tolmachev А.V., Baumer V.N., Matolínová I., Yavetskiy R.P. Effect of the sintering temperature on microstructure and optical properties of reactive sintered YAG:Sm3+ ceramics // Optical Materials: X. 2022. V. 13. P. 100131. https://doi.org/10.1016/j.omx.2021.100131

18. Timoshenko A.D., Matvienko O.O., Doroshenko A.G., Parkhomenko S.V., Vorona I.O., Kryzhanovska O.S., Safronova N.A., Vovk O.O., Tolmachev А.V., Baumer V.N., Matolínová I., Hau S., Georghe C., Yavetskiy R.P. Highly-doped YAG:Sm3+ transparent ceramics: Effect of Sm3+ ions concentration // Ceramics International. 2023. V. 49. N 5. P. 7524–7533. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.10.257

19. Kostić S., Lazarević Z.Ž., Radojević M., Milutinović A., Romčević M., Romčević N.Ž., Valčić A. Study of Structural and optical properties of YAG and Nd:YAG single crystals // Materials Research Bulletin. 2015. V. 63. P. 80–87. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2014.11.033

20. Shennon R.D. Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides // Acta Crystallography. 1976. V. A32. P. 751–767. https://doi.org/10.1107/s0567739476001551

21. Zhang L., Li Z., Zhen F., Wang L., Zhang Q., Sun R., Selim F.A., Wong C., Chen H. High sinterability nano-Y2O3 powders prepared via decomposition of hydroxyl-carbonate precursors for transparent ceramics // Journal of Materials Science. 2017. V. 52. N 14. P. 8556–8567. https://doi.org/10.1007/s10853-017-1071-0

22. Gorbachenya K.N., Yasukevich A.S., Kisel V.K., Lopukhin K.V., Balashov V.V., Fedin A.V., Gerke M.N., Volkova E.A., Yapaskurt V.O., Kuzmin N.N., Ksenofontov D.A., Korost D.V., Kuleshov N.V. Synthesis and laser-related spectroscopy of Er:Y2O3 optical ceramics as a gain medium for in-band-pumped 1.6 µm lasers // Crystals. 2022. V. 12. N 4. P. 519. https://doi.org/10.3390/cryst12040519

23. Bulyga D.V., Evstropiev S.K., Sadovnichii R.V., Khodasevich M.A. Influence of isomorphic substitution of Y3+ ions by Gd3+ ions on structural and luminescent properties of Yb:YAG nanopowders // Materials Science and Engineering: B. 2022. V. 285. P. 115980. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2022.115980