【儀表網 研發快訊】近期，中國科學院上海光學精密機械研究所Q&Q+研究中心王俊研究員團隊在Mg、Si共摻雜TAG磁光陶瓷研究方面取得進展，相關成果以“Roles of non-stoichiometric Mg2+-Si4+ co-doping in the sintering process of TAG ceramics with higher optical quality”為題發表于Journal of the European Ceramic Society。
 

　　鋱鋁石榴石(TAG)陶瓷已成為一種極具前景的高功率法拉第隔離器的磁光材料，具有高Verdet常數、高熱導率和在可見光到近紅外波段的高透過率等優點，與常用的商用TGG單晶相比，TAG陶瓷的Verdet常數約高30%，導熱系數約高14%。在此前的相關陶瓷燒結研究中已經表明，當作為燒結助劑而添加的硅離子含量超過300 ppm時，會顯著促進晶界相的生成，同時導致二氧化硅在晶界處析出；當添加 930 ppm 硅離子含量時，晶界相的厚度達 到80 納米。這類晶界相會引發散射損耗，降低激光的透射效率。因此當陶瓷孔隙率極低時，其激光性能在很大程度上取決于晶界相的含量。研究團隊此前研究得出，采用質量比添加TEOS與MgO復合燒結助劑時，盡管XRD分析顯示陶瓷為純相、掃描電鏡圖像中也未觀察到明顯的第二相，但能譜分析仍檢測到Mg和Si在晶界處發生偏析。為了解決這一問題，研究團隊以非化學計量比Mg2+-Si4+格位摻雜進行設計實驗，結果表明能夠有效減少晶界處殘余相的存在，提升鋱鋁石榴石(TAG)透明陶瓷的光學品質，其效果優于傳統按質量比添加的單一組分燒結助劑。
 

圖1:TAG陶瓷的照片和透過率曲線,以及晶界的TEM圖像和元素分析
 

　　研究團隊對非化學計量比Mg2+-Si4+格位摻雜的內在作用機制進行深入分析，并開展了進一步的實驗驗證。通過系統的探究，揭示了Mg2+-Si4+在不同燒結階段的固溶行為，以及該行為與陶瓷致密化、物相演變和晶界微觀結構之間的關聯。通過對晶格參數與氧空位濃度變化的分析發現，Si4+比Mg2+更早進入晶格，且隨著溫度升高，Si4+的存在又會反過來提升Mg2+的固溶度。通過精準調控鎂和硅的原子比，實現了對陶瓷致密化過程的優化控制。研究團隊對最優樣品晶界的透射電鏡分析表明，在MgO和TEOS較高添加量的條件下，這種非化學計量比的晶格設計方法能顯著減少晶界殘余相，圖中展示了額外晶界相的厚度小于 5 納米，幾乎檢測不到。這一發現印證了在非化學計量比摻雜的條件下，針對燒結助劑的種類和含量進行協同優化，對于制備更高光學品質的石榴石透明陶瓷具有重要意義。