Оптические стеклокристаллические материалы на основе наокристаллов Fe²⁺:MgAl₂O₂, содержащие TiO₂ и ZrO₂ в качестве нуклеаторов кристаллизации

Созданы прозрачные магниевоалюмосиликатные стеклокристаллические материалы с нанокристаллами алюмомагниевой шпинели Fe²⁺:MgAl₂O₄ в качестве основной кристаллической фазы. Материалы содержат смесь TiO₂ и ZrO₂ в качестве нуклеатора объемной кристаллизации и 0.6 мол% FeO в качестве активатора. Исходное стекло было синтезировано при температуре 1580 ºC с перемешиванием и термообработано в интервале температур от 800 до 1300 ºC. Структура и спектральные свойства исходного стекла и полученных из него стеклокристаллических материалов были исследованы методами ДСК и РФА, спектроскопии комбинационного рассения света и абсорбционной спектроскопии. Нанокристаллы ZrTiO₄ размером 6 нм выделяются на стадии предситаллизации при температуре 800 °C. Нанокристаллы шпинели размером 9-14 нм образуются при термообработке в интервале температур 850 - 1000 °C. Интенсивное поглощение света в области 2 мкм обусловлено ионам Fe²⁺, входящими в тетраэдрические позиции нанокристаллов шпинели. Кристаллизация железосодержащего сапфирина в прозрачных стеклокристаллических материалах при температуре термообработке 1000 и 1050 ºC приводит к уменьшению поглощения в этом спектральном диапазоне. Созданные материалы могут быть использованы для разработки насыщающихся поглотителей спектрального диапазона 2-3 мкм.

1. Frolov M.P., Korostelin Yu.V., Kozlovsky V.I., Podmar’kov Yu.P., Savinova S.A., Skasyrsky Ya.K. 3 J. pulsed Fe:ZnS laser tunable from 3.44 to 4.19 m. Laser Phys. Lett., 2015, 12(5), P. 055001(1-6).

2. Basyrova L., Balabanov C., Belyaev A., Drobotenko V., Vitkin V., Dymshits O., Loiko P. Synthesis, structure and spectroscopy of Fe2+:MgAl2O4 transparent ceramics. J. Phys.: Conf. Ser., 2019, 1410, P. 012123(1-4).

3. Dymshits O., Shepilov, M., Zhilin A. Transparent glass-ceramics for optical applications. MRS Bulletin, 2017, 42, P. 200–205.

4. Basyrova L., Bukina V., Balabanov S., Belyaev A., Drobotenko V., Dymshits O., Alekseeva I., Tsenter M., Zapalova S., Khubetsov A., Zhilin A., Volokitina A., Vitkin V., Mateos X., Serres J.M., Camy P., Loiko P. Synthesis, structure and spectroscopy of Fe2+:MgAl2O4 transparent ceramics and glass-ceramics. J. Lumin., 2021, 236, P. 118090(1-17).

5. Dugu´e A., Dymshits O., Cormier L., Cochain B., Lelong G., Zhilin A., Belin S. In situ evolution of Ni environment in magnesium aluminosilicate glasses and glass–ceramics. Influence of ZrO2 and TiO2 nucleating agents. J. Phys. Chem. Solids, 2015, 78, P. 137–146.

6. Golubkov V.V., Dymshits O.S., Zhilin A.A., Chuvaeva T.I., Shashkin A.V., On the phase separation and crystallization of glasses in the MgO– Al2O3–SiO2–TiO2 system. Glass Phys. Chem., 2003, 29, P. 254–266.

7. Carl G., H¨oche T., Voigt B. Crystallisation behavior of a MgO–Al2O3–SiO2–TiO2–ZrO2 glass. Phys. Chem. Glasses., 2002, 43C, P. 256–258.

8. Lipson H., Steeple H., in: McMillan (Ed.), Interpretation of X-Ray Powder Patterns, Martins Press, London, N.Y., 1970, p. 344.

9. Loiko P.A., Dymshits O.S., Zhilin A.A., Alekseeva I.P., Yumashev K.V. Influence of NiO on phase transformations and optical properties of ZnO–Al2O3–SiO2 glass–ceramics nucleated by TiO2 and ZrO2. Part II. Optical absorption and luminescence. J. Non-Cryst. Solids, 2013, 376, P. 99–105.

10. Krebs M.A., Condrate R.A. A Raman spectral characterization of various crystalline mixtures in the ZrO2-TiO2 and HfO2-TiO2 systems, J. Mater. Sci. Lett., 1988, 7, P. 1327–1330.

11. Azough F., Freer R., Petzelt J. A Raman spectral characterization of ceramics in the system ZrO2–TiO2. J. Mater. Sci., 1993, 28, P. 2273–2276.

12. Alekseeva I.P., Dymshits O.S., Golubkov V.V., Loiko P.A., Tsenter M.Ya., Yumashev K.V., Zapalova S.S., Zhilin A.A. Influence of NiO on phase transformations and optical properties of ZnO–Al2O3–SiO2 glass-ceramics nucleated by TiO2 and ZrO2. Part I. Influence of NiO on phase transformations of ZnO–Al2O3–SiO2 glass-ceramics nucleated by TiO2 and ZrO2. J. Non-Cryst. Solids, 2014, 384, P. 73–82.

13. Lamara S., Redaoui D., Sahnoune F., Heraiz M., Saheb N., Microstructure, thermal expansion, hardness and thermodynamic parameters of cordierite materials synthesized from Algerian natural clay minerals and magnesia. Bol. Soc. Esp.Cer´am. V., 2021, 60(5), P. 291–306.

14. Alekseeva I., Dymshits O., Ermakov V., Golubkov V., Malyarevich A., Tsenter M., Zhilin A., Yumashev K. Phys. Chem. Glasses Eur. J. Glass Sci. Technol. B, 2012, 53(4), P. 167–180.

15. Povarennykh A.S. Crystal Chemical Classification of Minerals. Springer, New York, 1972, p. 286.

16. Steffen G., Seifert F., Amthauer G. Ferric iron in sapphirine: a M¨ossbauer spectroscopic study. Am. Mineral., 1984, 69, P. 339–348.

17. Bromiley G.D., Nestola F., Redfern S.A.T., Zhang M.,Water incorporation in synthetic and natural MgAl2O4 spinel. Geochem. Cosmochim. Acta, 2010, 74, P. 705–718.