Получение стеклокерамики на основе Er:YAG и Bi2O3–B2O3–BaO методом селективного лазерного спекания

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Разработан способ получения аморфного ультрадисперсного прекурсора (шихты) с различным соотношением Er:YAG и 20Bi2O3–60B2O3–20BaO. Методом селективного лазерного спекания показана возможность формирования функциональной стеклокерамики с кристаллической фазой, представленной иттрий-эрбий-алюминиевым гранатом и боратом иттрия-эрбия, из синтезированного прекурсора. Методами ДСК и РФА проведен анализ химических и фазовых превращений в процессах термической обработки прекурсора, методом АЭС-ИСП исследовано изменение макросостава стеклокерамики при характерных температурах синтеза. Показано, что используемый ультрадисперсный прекурсор перспективен для получения оптических интегральных схем по технологии селективного лазерного спекания.

Full Text

Restricted Access

About the authors

А. Д. Плехович

Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых Российской академии наук

Author for correspondence.
Email: plekhovich@ihps-nnov.ru
Russian Federation, 603951 Нижний Новгород, Тропинина ул., 49, БОКС-75

А. М. Кутьин

Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых Российской академии наук

Email: plekhovich@ihps-nnov.ru
Russian Federation, 603951 Нижний Новгород, Тропинина ул., 49, БОКС-75

Е. Е. Ростокина

Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых Российской академии наук

Email: plekhovich@ihps-nnov.ru
Russian Federation, 603951 Нижний Новгород, Тропинина ул., 49, БОКС-75

М. Е. Комшина

Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых Российской академии наук

Email: plekhovich@ihps-nnov.ru
Russian Federation, 603951 Нижний Новгород, Тропинина ул., 49, БОКС-75

К. В. Балуева

Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых Российской академии наук

Email: plekhovich@ihps-nnov.ru
Russian Federation, 603951 Нижний Новгород, Тропинина ул., 49, БОКС-75

К. Ф. Шумовская

Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых Российской академии наук

Email: plekhovich@ihps-nnov.ru
Russian Federation, 603951 Нижний Новгород, Тропинина ул., 49, БОКС-75

И. И. Евдокимов

Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых Российской академии наук

Email: plekhovich@ihps-nnov.ru
Russian Federation, 603951 Нижний Новгород, Тропинина ул., 49, БОКС-75

А. Е. Курганова

Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых Российской академии наук

Email: plekhovich@ihps-nnov.ru
Russian Federation, 603951 Нижний Новгород, Тропинина ул., 49, БОКС-75

References

  1. Плехович А.Д., Ростокина Е.Е., Комшина М.Е., Балуева К.В., Игнатова К.Ф., Кутьин А.М. Калорические и волюметрические свойства стеклообразующей системы Bi2O3–B2O3–BaO для оптических применений // Неорган. материалы. 2022. Т. 58. № 7. С. 763–770. https://doi.org/10.31857/S0002337X22060094
  2. Chaim R., Kalina M., Shen J.Z. Transparent Yttrium Aluminum Garnet (YAG) Ceramics by Spark Plasma Sintering // J. Eur. Ceram. Soc. 2007. V. 27. P. 3331–3337. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2007.02.193
  3. Xia Li Fabrication of Transparent Yttrium Aluminum Garnet Ceramic // J. Phys.: Conf. Ser. 2009. V. 152. Р. 012079. https://doi.org/10.1088/1742-6596/152/1/012079
  4. Lin J., Lin P., Ao R., Xing L., Lin T., He P., Li J., Yang W. Microstructure Evolution and Mechanical Properties of YAG/YAG Joint Using Bismuth-Borate Glass // J. Eur. Ceram. Soc. 2021. V. 41. P. 2847–2854. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2020.12.002
  5. Lu B., Gai K., Wang Q., Zhao T. Continuous Yttrium Aluminum Garnet Ceramic Fiber with High Tensile Strength by Melt-Spinning from Polymer Precursor // Ceram. Int. 2023. V. 49. P. 32318–32323. http://dx.doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.07.098
  6. Пайгин В.Д., Степанов С.А., Валиев Д.Т., Двилис Э.С., Хасанов О.Л., Ваганов В.А., Алишин Т.Р., Калашников М.П., Илела А.Э. Люминесцентная керамика на основе иттрий-алюминиевого граната, полученная традиционным спеканием в воздушной атмосфере // Российские нанотехнологии. 2019. Т. 14. № 3–4. С. 26–31. https://doi.org/10.21517/1992-7223-2019-3-4-26-31
  7. Kaminskii A., Becker P., Bohaty L., Ueda Ken-ichi, Takaichi K., Hanuza J., Maczka M., Eichler H., Gad M.A Gad. Monoclinic Bismuth Triborate BiB3O6 – a New Efficient χ(2)+χ(3) – Nonlinear Crystal Multiple Stimulated Raman Scattering and Selfsum – Frequency Lasing Effects // Opt. Commun. 2002. V. 206. P. 179–191. https://doi.org/10.1016/S0030-4018(02)01386-X
  8. Hellwig H., Liebertz J., Bohaty L. Exceptional Large Nonlinear Optical Coefficients in the Monoclinic Bismuth Borate BiB3O6 (BIBO) // Solid State Commun. 1999. V. 109. P. 249–251. https://doi.org/10.1016/S0038-1098(98)00538-9
  9. Becker P. Thermal and Optical Properties of Glasses of the System Bi2O3-B2O3 // Cryst. Res. Technol. 2003. V. 38. № 1. P. 74–82. https://doi.org/10.1002/crat.200310009
  10. Effendy N., Zaid M.H.M., Sidek H.A.A., Halimah M.K., Shabdin M.K., Yusof K.A., Mayzan M.Z.H. The Elastic, Mechanical and Optical Properties of Bismuth Modified Borate Glass: Experimental and Artificial Neural Network Simulation // Opt. Mater. 2022. V. 126. P. 112170. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2022.112170
  11. Chizhikov A.P., Bazhin P.M., Stolin A.M. Features of the Structure and Phase Composition of Materials Based on Aluminum Oxide and Chromium Borides Obtained under Conditions of SHS and Free SHS Compression // Lett. Mater. 2020. V. 10. P. 135–140. https://doi.org/10.22226/2410-3535-2020-2-135-140
  12. Chen P., Li Y., Yin B., Li S., Jia W., Lao D., Wang H., Liu J. New Design of Bismuth Borate Ceramic/Epoxy Composites with Excellent Fracture Toughness and Radiation Shielding Capabilities // Mater. Today Commun. 2023. V. 35. P. 106102. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2023.106102
  13. El-Khayatt A.M., Saudi H.A. Recycling of Waste Porcelain into Newly Developed Bismo-Borate Glass Admixture with Gd3+ Ions for Nuclear Radiation Protection Uses: An Experimental and Theoretical Study // Radiat. Phys. Chem. 2023. V. 203. P. 110612. https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2022.110612
  14. Степаненко С.А. Фотонный компьютер: структура и алгоритмы, оценки параметров // Фотоника. 2017. № 7. C. 67. https://doi.org/10.22184/1993-7296.2017.67.7.72.83
  15. Цилькер Б.Я., Орлов С.А. Организация ЭВМ и систем. СПб: ПИТЕР, 2015.
  16. Полуэктов А.О. Оптический логический элемент: Патент РФ № 20751061 от 10.03.1997.
  17. Kumar A. Implementation of All-Optical NAND Logic Gate and Halfadder Using the Micro-Ring Resonator Structures // Opt. Quantum Electron. 2016. V. 48. № 477. https://doi.org/10.1007/s11082-016-0747-z
  18. Кузнецова О.В., Сперанский В.С. Решение задач обработки оптических сигналов без оптоэлектронного преобразования // Т-Comm. 2012. № 8. С. 35–39.
  19. Foldvari I., Beregi E., Munoz A., Sosa R., Horvath V. The Energy Levels of Er3+ Ion in Yttrium Aluminum Borate (YAB) Single Crystals // Opt. Mater. 2002. № 19. P. 241–244. https://doi.org/10.1016/S0925-3467(01)00185-9
  20. Jiang H., Wang J., Hu X., Liu H., Liu X.Y. Optical Transition Properties of Er3+ Ions in YA13(BO3)4 Crystal // Chem. Phys. Lett. 2002. № 365. P. 279. https://doi.org/10.1016/S0009-2614(02)01479-3
  21. Dammak M. Crystal-field Analysis of Er3+ Ions in Yttrium Aluminium Borate (YAB) Single Crystals // J. Alloys Compd. 2005. № 393. P. 51–56. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2004.10.006
  22. You W., Lin Y., Chen Y., Luo Z., Huang Y. Growth and Spectroscopic Properties of Er3+ Single Doped and Er3+–Yb3+ Co-Doped YAl3(BO3)4 Crystals // J. Cryst. Growth. 2004. № 270. P. 481–485. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2004.07.005
  23. Manjeet, Ravina, Amit, Poria K., Deopa N., Kumar A., Chahal R.P. Optimization of Dysprosium Ions Doped Borate Glasses for Photoluminescence Applications // Mater. Lett.: X. 2023. V. 19. P. 100208. https://doi.org/10.1016/j.mlblux.2023.100208
  24. Bao W., Yu X., Wang T., Zhang H., Su C. Tb3+/Eu3+ Co-Doped Al2O3–B2O3–SrO Glass Ceramics: Preparation, Structure and Luminescence Properties // Opt. Mater. 2021. V. 122. P. 111772. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2021.111772
  25. Ma R., Reniers S., Shoji Y., Mizumoto T., Williams K., Jiao Y., van der Tol J. Integrated Polarization-Independent Optical Isolators and Circulators on an InP Membrane on Silicon Platform // Optica. 2021. V. 8. P. 1654–1661. https://doi.org/10.1364/OPTICA.443097
  26. Плехович А.Д., Ростокина Е.Е., Кутьин А.М., Гаврищук Е.М. Кинетика формирования алюмоиттриевого граната из аморфной фазы гидрозолей разного состава // Неорган. материалы. 2022. T. 58. № 12. С. 1353–1360. https://doi.org/10.31857/S0002337X22120090
  27. Bobkova N.M., Trusova E.E., Zakharevich G.B. Phase, Glass Formation and the Properties of BaO–Bi2O3–B2O3 Glasses // Glass Ceram. 2013. № 69. P. 366–369. https://doi.org/10.1007/s10717-013-9480-2
  28. Plekhovich A.D., Kut’in A.M., Rostokina E.E., Komshina M.E., Balueva K.V., Ignatova K.F., Shiryaev V.S. Controlled Crystallization of BaO–B2O3–Bi2O3 Glass in the Temperature Range of a Supercooled Melt in the Presence of Additional Nucleation Centers // J. Non-Cryst. Solids. 2022. V. 588. P. 121629. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2022.121629
  29. Rostokina E.Ye., Plekhovich А.D., Kut’in А.M., Georgiu I.F., Balabanov S.S., Komshina M.E. Kinetic Effects of Substitution Er3+ for Y3+ in (Y1-xErx)3Al5O12 Garnet // J. Eur. Ceram. Soc. 2021. V. 41. P. 5324–5330. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.03.065
  30. Bufetova G.A., Kashin V.V., Rusanov S.Ya., Seregin V.F., Tsvetkov V.B. Measurement of the Refractive Index of an Er3+:YAG Crystal Melt // J. Appl. Phys. 2020. V. 127. P. 035104. https://doi.org/10.1063/1.5128088
  31. Zelmon D.E., Small D.L., Page R. Refractive-Index Measurements of Undoped Yttrium Aluminum Garnet from 0.4 to 5.0 μm // Appl. Opt. 1998. V. 37. P. 4933–4935. https://doi.org/10.1364/AO.37.004933
  32. Peixin Zhong, Genyu Chen, Shaoxiang Cheng, Mingquan L. Study on the Effect of Laser Pre-Sintering in Laser-Assisted Glass Frit Bonding // J. Mater. Res. Technol. 2022. V. 20. P. 2309–2322. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.07.162
  33. Gao B., Zhao H., Peng L., Sun Z. A Review of Research Progress in Selective Laser Melting (SLM) // Micromachines. 2023. V. 14. P. 57. https://doi.org/10.3390/mi14010057
  34. Liu Q., Danlos Y., Song B., Zhang B., Yin S., Liao H. Effect of High-Temperature Preheating on the Selective Laser Melting of Yttria-Stabilized Zirconia Ceramic // J. Mater. Process. Technol. 2015. V. 222. P. 61–74. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2015.02.036
  35. Protasov C.E., Khmyrov R.S., Grigoriev S.N., Gusarov A.V. Selective Laser Melting of Fused Silica: Interdependent Heat Transfer and Powder Consolidation // Int. J. Heat Mass Transfer. 2017. V. 104. P. 665–674. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.08.107

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Microphotographs of Er:YAG (a), glass (b) and glass-ceramic (c) powders after sputtering on the developed setup and unpolished surfaces of samples synthesized by SLS, Er:YAG (d) and glass-ceramic (e).

Download (32KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. X-ray diffraction patterns of samples formed by the SLS method from 100% garnet (1), from an ultradispersed charge of 10% garnet+90% glass (2); identified crystalline phases: 1 - Y3Al5O12 (PDF 33-0040), 2 - YBO3 (PDF 74-1929) andY3Al5O12 (PDF 33-0040).

Download (20KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Thermal analysis results of 20Bi2O3-60B2O3-20BaO glass (red line) and 10Er:YAG-90(Bi2O3-B2O3-BaO) glass-ceramic samples (purple line) obtained by the SLS method compared to glass welded in a platinum crucible (dashed line).

Download (21KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. DSC curves of heating at a rate of 10 K/min of the ultradisperse charge x(Er0.5Y0.5AG)-(100-x)∙(20Bi2O3-60B2O3-20BaO) at x = 5, 10, 15, 19, 54 mol% (the temperature range of unglazing is marked with light blue background and crystallization is highlighted with beige background).

Download (27KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Microphotographs of sintered glass crystals from ultradisperse charge 5(Er0.5Y0.5AG)-95∙(20Bi2O3-60B2O3-20BaO) (a) and a sample from mechanically crushed mixture of formed garnet and glass (15 and 85% mol%) (b).

Download (14KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. X-ray diffraction pattern of a sample obtained from a mechanically ground mixture of formed garnet and glass 15 Er0.5Y0.5AG-85(20Bi2O3-60B2O3-20BaO); identified crystalline phases: Y3Al5O12 (PDF 33-0040) and Bi1.87Y0.13O12 (PDF 41-0304).

Download (21KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. X-ray diffraction patterns of samples obtained from a compressed charge of two molar ratios of garnet and glass x(Er0.5Y0. 5AG)-(100-x)∙(20Bi2O3-60B2O-20BaO): x = 5 (865 °C) and x = 54 (875 °C); identified crystalline phases: 865 °C - YBO3 (PDF 74-1929), 875 °C - Y3Al5O12 (PDF 33-0040), YBO3 (PDF 74-1929), Y3BO6 (PDF 34-0291).

Download (36KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. SLS result of ultradisperse charge of composition 10-90 at multiple passes (a), at single pass - track (b); the inset shows the width of a single track formed by the laser beam.

Download (24KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences