◆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展

鋱鋁石榴石（Tb3Al5O12，TAG）在可見和近紅外波段具有較高的光學透過率和較大的Verdet常數(shù)，被認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)實際應用。而陶瓷的制備可以避免非一致熔融過程，使得TAG介質的優(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，具有良好的應用前景。

近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所李江研究員帶領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展。該團隊采用共沉淀法合成了0.5at% Ho∶TAG納米粉體，再結合真空燒結及熱等靜壓后處理（HIP）技術制備得到了具有優(yōu)異光學質量和磁光性能的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，研究團隊隨后受Scripta Materialia期刊主編Subhash H. Risbud博士（美國加州大學戴維斯分校教授）邀請撰寫了關于磁光陶瓷領域的觀點類文章并以Viewpoint Paper的形式發(fā)表在Scripta Materialia上。

近年來，李江研究員團隊開展了關于TAG磁光透明陶瓷的研究工作，并取得了系列研究成果。該團隊首先以商業(yè)氧化物粉體為原料，采用固相反應法結合真空燒結技術來制備TAG磁光透明陶瓷，對粉體性能和陶瓷性能進行了系統(tǒng)研究，揭示了固相反應燒結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聚問題，該團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，其光學透過率和商業(yè)粉制備的陶瓷相比有所提升。與固相反應法相比，濕化學法合成粉體能夠實現(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均勻性都較好，有利于后期透明陶瓷燒結。鑒于此，該團隊又采用反滴共沉淀法成功合成了純相TAG納米粉體，對粉體性能進行了系統(tǒng)的研究和優(yōu)化。進一步地，在TAG納米粉體中添加正硅酸乙酯（TEOS）作為燒結助劑并進行球磨后處理，結合后續(xù)的真空及熱等靜壓燒結成功制備了在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法成功制備高光學質量的TAG磁光陶瓷。

近期，該研究團隊又通過順磁性稀土離子摻雜對TAG陶瓷進行了性能調控，并取得了新的研究進展。他們以離子半徑和Tb3+接近的Ce3+和Pr3+為改性離子，成功制備了高光學質量的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院前沿科學重點研究計劃項目（院青年拔尖人才項目）、國家自然科學基金項目、國家重點研發(fā)計劃項目、中國科學院上海硅酸鹽研究所重點學科建設項目等資助。