◆上海硅酸鹽所在新型鋱鋁石榴石基磁光陶瓷研究方面取得系列進(jìn)展

鋱鋁石榴石（Tb3Al5O12，TAG）在可見和近紅外波段具有較高的光學(xué)透過率和較大的Verdet常數(shù)，被認(rèn)為是用于法拉第隔離器的最理想材料之一。但由于TAG的非一致熔融特性，其晶體制備十分困難，所以一直未實現(xiàn)實際應(yīng)用。而陶瓷的制備可以避免非一致熔融過程，使得TAG介質(zhì)的優(yōu)良特性得以實現(xiàn)。與單晶相比，TAG磁光陶瓷還具有易于制備大尺寸、抗熱震性好、斷裂韌性高等優(yōu)點，具有良好的應(yīng)用前景。

近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所李江研究員帶領(lǐng)的透明與光功能陶瓷研究課題組在新型鋱鋁石榴石基磁光陶瓷研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊采用共沉淀法合成了0.5at% Ho∶TAG納米粉體，再結(jié)合真空燒結(jié)及熱等靜壓后處理（HIP）技術(shù)制備得到了具有優(yōu)異光學(xué)質(zhì)量和磁光性能的Ho∶TAG透明陶瓷，該材料在1064 nm波長處的直線透過率達(dá)到81.9%，在632.8 nm處的Verdet常數(shù)為-183.1 rad·T-1·m-1，比商用TGG單晶高36%。相關(guān)研究成果發(fā)表于國際著名期刊Scripta Materialia上，該工作獲得了審稿人的高度評價，鑒于該工作的影響力，研究團(tuán)隊隨后受Scripta Materialia期刊主編Subhash H. Risbud博士（美國加州大學(xué)戴維斯分校教授）邀請撰寫了關(guān)于磁光陶瓷領(lǐng)域的觀點類文章并以Viewpoint Paper的形式發(fā)表在Scripta Materialia上。

近年來，李江研究員團(tuán)隊開展了關(guān)于TAG磁光透明陶瓷的研究工作，并取得了系列研究成果。該團(tuán)隊首先以商業(yè)氧化物粉體為原料，采用固相反應(yīng)法結(jié)合真空燒結(jié)技術(shù)來制備TAG磁光透明陶瓷，對粉體性能和陶瓷性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，揭示了固相反應(yīng)燒結(jié)過程中原料粉體的重要性。針對商業(yè)氧化鋱粉體存在的團(tuán)聚問題，該團(tuán)隊又通過沉淀法自主合成了分散性相對較好的氧化鋱納米粉體并以此為原料來制備TAG透明陶瓷，其光學(xué)透過率和商業(yè)粉制備的陶瓷相比有所提升。與固相反應(yīng)法相比，濕化學(xué)法合成粉體能夠?qū)崿F(xiàn)元素在原子水平的均勻混合，同時得到的粉體分散性和化學(xué)均勻性都較好，有利于后期透明陶瓷燒結(jié)。鑒于此，該團(tuán)隊又采用反滴共沉淀法成功合成了純相TAG納米粉體，對粉體性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和優(yōu)化。進(jìn)一步地，在TAG納米粉體中添加正硅酸乙酯（TEOS）作為燒結(jié)助劑并進(jìn)行球磨后處理，結(jié)合后續(xù)的真空及熱等靜壓燒結(jié)成功制備了在1064 nm波長處直線透過率為81.4%的TAG磁光陶瓷。這是國際上首次報道通過濕化學(xué)法成功制備高光學(xué)質(zhì)量的TAG磁光陶瓷。

近期，該研究團(tuán)隊又通過順磁性稀土離子摻雜對TAG陶瓷進(jìn)行了性能調(diào)控，并取得了新的研究進(jìn)展。他們以離子半徑和Tb3+接近的Ce3+和Pr3+為改性離子，成功制備了高光學(xué)質(zhì)量的Ce∶TAG和Pr∶TAG磁光陶瓷。研究發(fā)現(xiàn)，由于摻雜離子對晶體場的影響以及和Tb3+之間存在超交換作用，摻雜后TAG磁光陶瓷的Verdet常數(shù)均有所提升，其中2.0at% Ce∶TAG透明陶瓷在632.8 nm處的Verdet常數(shù)達(dá)到-196.2 rad·T-1·m-1，比TAG陶瓷和商業(yè)TGG晶體分別提高了9%和46%。

以上系列研究工作得到中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點研究計劃項目（院青年拔尖人才項目）、國家自然科學(xué)基金項目、國家重點研發(fā)計劃項目、中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所重點學(xué)科建設(shè)項目等資助。