Структурные и спектральные свойства нанокристаллических порошков АИГ:Nd, АИГ:Ce и АИГ:Yb, синтезированных модифицированным методом Печини

Введение. В работе исследованы структурные и люминесцентные свойства нанокристаллических порошков состава Y₃Al₅O₁₂:Re³⁺ (Re³⁺ = Nd³⁺, Yb³⁺, Ce³⁺), синтезированных модифицированным методом Печини с использованием поливинилпирролидона в качестве дополнительного стабилизатора и органического «топлива» в ходе синтеза. Метод. Для исследования термической эволюции гелей и свойств конечного продукта применены фурье-спектроскопия, люминесцентная спектроскопия, дифференциальная сканирующая калориметрия, сканирующая электронная микроскопия, а также рентгенофазовый анализ. Основные результаты. Показано, что применение модифицированного метода Печини при использовании добавок поливинилпирролидона в исходные растворы обеспечивает получение высокодисперсных порошков алюмоиттриевого граната, содержащих редкоземельные ионы. Установлено, что введение поливинилпирролидона оказывает существенное влияние на эволюцию композиционных гелей при их термообработке и формирование нанокристаллов алюмоиттриевого граната происходит при температуре около 883 °С. Обсуждение. Полученные в работе нанокристаллические порошки могут быть использованы в качестве прекурсоров для спекания лазерной керамики и введены в оптическое волокно для создания усилителей.

1. Chen L., Luo Y., Xia Y., Kang B., Yu S. Densification, microstructure and optical properties of YAG transparent ceramics prepared by drypressing and gelcasting // Optical Materials. 2021. V. 121. P. 111509. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2021.111509

2. Li J., Liu J., Liu B., Liu W., Zeng Y., Ba X., Xie T., Jiang B., Liu Q., Pan Y., Feng X., Guo J. Influence of heat treatment of powder mixture on the microstructure and optical transmission of Nd:YAG transparent ceramics // Journal of the European Ceramic Society. 2014. V. 34. N 10. P. 2497–2507. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2014.03.004

3. Wang H.M., Huang Z.Y., Jiang J.S., Liu K., Duan M.Y., Lu Z.W., Cedelle J., Guan Z.W., Lu T.C., Wang Q.Y. Unique mechanical properties of nano-grained YAG transparent ceramics compared with coarse-grained partners // Materials & Design. 2016. V. 105. P. 9–15. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.04.094

4. Sim S.-M., Keller K.A., Mah T.-I. Phase formation in yttrium aluminum garnet powders synthesized by chemical methods // Journal of Materials Science. 2000. V. 35. N 3. P. 713–717. https://doi.org/10.1023/A:1004709401795

5. Tachiwaki T., Yoshinaka M., Hirota K., Ikegami T., Yamaguchi O. Novel synthesis of Y3Al5O12 (YAG) leading to transparent ceramics // Solid State Communications. 2001. V. 119. N 10-11. P. 603–606. https://doi.org/10.1016/s0038-1098(01)00293-9

6. Sluzky E., Lemoine M., Hesse K. Phosphor development for α-silicon liquid crystal light valve projection display // Journal of the Electrochemical Society. 1994. V. 141. N 11. P. 3172. https://doi.org/10.1149/1.2059297

7. Lu C.H., Huang C.H. Sensitized photoluminescence of Eu3+ and Gd3+-doped Y3Al5O12 phosphors prepared via a reverse microemulsion process // Chemistry Letters. 2004. V. 33. N 12. P. 1568–1569. https://doi.org/10.1246/cl.2004.1568

8. Benayas A., del Rosal B., Pérez-Delgado A., Santacruz-Gómez K., Jaque D., Hirata G.A., Vetrone F. Nd:YAG near-infrared luminescent nanothermometers // Advanced Optical Materials. 2015. V. 3. N 5. P. 687–694. https://doi.org/10.1002/adom.201400484

9. Евстропьев С.К., Демидов В.В., Булыга Д.В., Садовничий Р.В., Пчелкин Г.А., Шурупов Д.Н., Подрухин Ю.Ф., Матросова А.С., Никоноров Н.В., Дукельский К.В. Люминесцентные волоконно-оптические датчики на основе нанолюминофоров YAG : R3+ (R = Ce, Dy, Yb) для измерения температуры в диапазоне 20– 500 °C // Квантовая электроника. 2022. Т. 52. № 1. С. 94–99.

10. 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

11. Saladino M.L., Nasillo G., Martino D.C., Caponetti E. Synthesis of Nd:YAG nanopowder using the citrate method with microwave irradiation // Journal of Alloys and Compounds. 2010. V. 491. N 1-2. P. 737–741. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2009.11.054

12. Laishram K., Mann R., Malhan N. Single step synthesis of yttrium aluminum garnet (Y3Al5O12) nanopowders by mixed fuel solution combustion approach // Ceramics International. 2011. V. 37. N 8. P. 3743–3746. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2011.05.052

13. Li J.G., Ikegami T., Lee J.-H., Mori T., Yajima Y. Co-precipitation synthesis and sintering of yttrium aluminum garnet (YAG) powders: the effect of precipitant // Journal of the European Ceramic Society. 2000. V. 20. N 14-15. P. 2395–2405. https://doi.org/10.1016/s0955-2219(00)00116-3

14. Ikesue A., Kinoshita T., Kamata K., Yoshida K. Fabrication and optical properties of high-performance polycrystalline Nd:YAG ceramics for solid=state lasers // Journal of the American Ceramic Society. 1995. V. 78. N 4. P. 1033–1040. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1995.tb08433.x

15. Li X., Liu H., Wang J., Cui H., Han F., Boughton R.I. Production of nanosized YAG powders with spherical morphology and nonaggregation via a solvothermal method // Journal of the American Ceramic Society. 2004. V. 87. N 12. P. 2288–2290. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.2004.tb07507.x

16. Caponetti E., Martino D.C., Saladino M.L., Leonelli C. Preparation of Nd:YAG nanopowder in a confined environment // Langmuir. 2007. V. 23. N 7. P. 3947–3952. https://doi.org/10.1021/la0625906

17. Moussaoui A., Bulyga D.V., Evstropiev S.K., Ignatiev A.I., Nikonorov N.V., Podruhin Y.F., Sadovnichii R.V. Modified Pechini method by PVP addition for Nd:Gd2O3 nanophosphors fabrication // Ceramics International. 2021. V. 47. N 24. P. 34307–34313. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.08.341

18. Волкова Н.А., Евстропьев С.К., Никоноров Н.В., Евстропьев К.С. Особенности взаимодействия в водных растворах молекул поливинилпирролидона с ионами цинка и серебра по данным ИК спектроскопии // Оптика и спектроскопия. 2019. Т. 127. № 10. С. 687–690. https://doi.org/10.21883/OS.2019.10.48377.128-19

19. Guerbous L., Boukerika A. Nanomaterial host bands effect on the photoluminescence properties of Ce-doped YAG nanophosphor synthesized by sol-gel method // Journal of Nanomaterials. 2015. V. 2015. P. 617130. https://doi.org/10.1155/2015/617130

20. Ji X., Kang B., Deng J., Huang H., Wang X. Thermal decomposition and evolved gas analysis of neodymium-doped yttrium aluminum garnet precursor prepared by co-precipitation // Thermochimica Acta. 2013. V. 552. P. 23–27. https://doi.org/10.1016/j.tca.2012.11.021

21. AitMellal O., Oufni L., Messous M.Y., Tahri M., Neatu Ş., Florea M., Neatu F., Secu M. Structural properties and near-infrared light from Ce3+/Nd3+-co-doped LaPO4 nanophosphors for solar cell applications // Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2022. V. 33. N 7. P. 4197–4210. https://doi.org/10.1007/s10854-021-07615-6

22. Boyer D., Bertrand-Chadeyron G., Mahiou R. Structural and optical characterizations of YAG:Eu3+ elaborated by the sol–gel process // Optical Materials. 2004. V. 26. N 2. P. 101–105. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2003.11.005

23. Xia G., Zhou S., Zhang J., Xu J. Structural and optical properties of YAG:Ce3+ phosphors by sol–gel combustion method // Journal of Crystal Growth. 2005. V. 279. N 3-4. P. 357–362. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2005.01.072

24. Miller F.A., Wilkins C.H. Infrared spectra and characteristic frequencies of inorganic ions // Analytical Chemistry. 1952. V. 24. N 8. P. 1253–1294. https://doi.org/10.1021/ac60068a007

25. 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

26. Yang H., Lee D.K., Kim Y.S. Spectral variations of nano-sized Y3Al5O12:Ce phosphors via codoping/substitution and their white LED characteristics // Materials Chemistry and Physics. 2009. V. 114. N 2 -3. P. 6 65–669. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2008.10.019

27. Klug H.P., Alexander L.E. Quantitative analysis of powder mixtures // X-ray Diffraction Procedures. 1954.

28. Shannon R.D. Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides // Acta Crystallographica Section A: Crystal Physics, Diffraction, Theoretical and General Crystallography. 1976. V. 32. N 5. P. 751–767. https://doi.org/10.1107/s0567739476001551

29. Zhu Q.Q., Li S., Yuan Q., Zhang H., Wang L. Transparent YAG:Ce ceramic with designed low light scattering for high-power blue LED and LD applications // Journal of the European Ceramic Society. 2021. V. 41. N 1. P. 735–740. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2020.09.006

30. Zhydachevskii Y., Syvorotka I.I., Vasylechko L., Sugak D., Borshchyshyn I.D., Luchechko A.P., Vakhula Ya.I., Ubizskii S.B., Vakiv M.M., Suchocki A. Crystal structure and luminescent properties of nanocrystalline YAG and YAG:Nd synthesized by sol–gel method // Optical Materials. 2012. V. 34. N 12. P. 1984–1989. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2011.12.023

31. Hassanzadeh-Tabrizi S.A. Synthesis and luminescence properties of YAG:Ce nanopowder prepared by the Pechini method // Advanced Powder Technology. 2012. V. 23. N 3. P. 324–327. https://doi.org/10.1016/j.apt.2011.04.006

32. Yu S., Jing W., Tang M., Xu T., Yin W., Kang B. Fabrication of Nd:YAG transparent ceramics using powders synthesized by citrate sol-gel method // Journal of Alloys and Compounds. 2019. V. 772. P. 751–759. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.09.184