Properties of Terbium Oxide Nanoparticles Synthesized via Laser Ablation in a Reducing Medium

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

This paper reports on the synthesis of terbium sesquioxide (Tb2O3) nanoparticles via laser ablation of a solid target in a flowing 95% Ar + 5% H2 binary welding mixture with the use of an ytterbium-doped fiber laser with an average output power of 300 W. We have studied morphological and structural features of the synthesized powder, its thermal behavior, magnetic properties, and densification dynamics during heating to 1450°C in vacuum. The synthesized particles were nearly spherical in shape, with an average size of 13 nm, and had a monoclinic crystal structure, which irreversibly transformed into a cubic structure of 
 symmetry as a result of firing in argon or vacuum at temperatures near 750 and 1050°C, respectively. Using temperature-dependent specific magnetization measurements, we determined their paramagnetic Curie temperature (θp = –11.8 K), Curie constant (C = 11.74 K emu/(mol Oe)), and effective magnetic moment (μeff = 9.69μB/Tb). These data suggest that antiferromagnetic exchange interaction between the terbium ions prevails and that the content of Tb4+ ions in the nanopowder is negligible. We have demonstrated the feasibility of producing transparent Tb2O3 ceramics by consolidating presintered nanoparticles via hot isostatic pressing for 2 h at a temperature of 1450°C and pressure of 200 MPa.

About the authors

R. N. Maksimov

Institute of Electrophysics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences, 620016, Yekaterinburg, Russia; Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, 620002, Yekaterinburg, Russia

Email: r.n.maksimov@urfu.ru
Россия, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 106; Россия, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

V. V. Platonov

Institute of Electrophysics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences, 620016, Yekaterinburg, Russia

Email: r.n.maksimov@urfu.ru
Россия, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 106

V. V. Osipov

Institute of Electrophysics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences, 620016, Yekaterinburg, Russia

Email: r.n.maksimov@urfu.ru
Россия, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 106

G. R. Karagedov

Institute of Solid State Chemistry and Mechanochemistry, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630090, Novosibirsk, Russia

Email: r.n.maksimov@urfu.ru
Россия, 630090, Новосибирск, ул. Кутателадзе, 18

A. S. Yurovskikh

Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, 620002, Yekaterinburg, Russia

Email: r.n.maksimov@urfu.ru
Россия, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

A. V. Spirina

Institute of Electrophysics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences, 620016, Yekaterinburg, Russia

Email: r.n.maksimov@urfu.ru
Россия, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 106

V. A. Shitov

Institute of Electrophysics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences, 620016, Yekaterinburg, Russia

Author for correspondence.
Email: r.n.maksimov@urfu.ru
Россия, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 106

References

  1. Dai J., Li J. Promising Magneto-Optical Ceramics for High Power Faraday Isolators // Scr. Mater. 2018. V. 155. P. 78–84. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2018.06.031
  2. Vojna D., Slezak O., Lucianetti A., Mocek T. Verdet Constant of Magneto-Active Materials Developed for High-Power Faraday Devices // Appl. Sci. 2019. V. 9. № 15. P. 3160. https://doi.org/10.3390/app9153160
  3. Carothers K.J., Norwood R.A., Pyun J. High Verdet Constant Materials for Magneto-Optical Faraday Rotation: A Review // Chem. Mater. 2022. V. 34. № 6. P. 2531–2544. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.2c00158
  4. Veber P., Velazquez M., Gadret G., Rytz D., Peltzc M., Decourta R. Flux Growth at 1230°C of Cubic Tb2O3 Single Crystals and Characterization of Their Optical and Magnetic Properties // CrystEngComm. 2015. V. 17. № 3. P. 492–497. https://doi.org/10.1039/C4CE02006E
  5. Ikesue A., Aung Y.L., Makikawa S., Yahagi A. Polycrystalline (TbxY1–x)2O3 Faraday Rotator // Opt. Lett. 2017. V. 42. № 21. P. 4399–4401. https://doi.org/10.1364/OL.42.004399
  6. Ikesue A., Aung Y.L., Makikawa S., Yahagi A. Total Performance of Magneto-Optical Ceramics with a Bixbyite Structure // Materials. 2019. V. 12. № 3. P. 421. https://doi.org/10.3390/ma12030421
  7. Zinkevich M. Thermodynamics of Rare Earth Sesquioxides // Prog. Mater. Sci. 2007. V. 52. № 4. P. 597–647. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2006.09.002
  8. Zhang J., Chen H., Wang J., Wang D., Han D., Zhang J., Wang S. Phase Transformation Process of Tb2O3 at Elevated Temperatures // Scr. Mater. 2019. V. 171. P. 108–111. https://doi.org/10.2139/ssrn.3391561
  9. Balabanov S.S., Permin D.A., Rostokina E.Ye., Egorov S.V., Sorokin A.A., Kuznetsov D.D. Synthesis and Structural Characterization of Ultrafine Terbium Oxide Powders // Ceram. Int. 2017. V. 43. № 18. P. 16569–16574. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.09.044
  10. Zhang J., Chen H., Wang J., Wang D., Han D., Zhang J., Wang S. Preparation of (Tb1–xLux)2O3 Transparent Ceramics by Solid Solution for Magneto-Optical Application // J. Eur. Ceram. Soc. 2020. V. 41. № 4. P. 2818–2825. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2020.12.034
  11. Yang M., Zhou D., Xu J., Tian T., Jia R., Wang Z. Fabrication and Magneto-Optical Property of Yttria Stabilized Tb2O3 Transparent Ceramics // J. Eur. Ceram. Soc. 2019. V. 39. № 15. P. 5005–5009. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2019.07.010
  12. Snetkov I.L., Permin D.A., Balabanov S.S., Palashov O.V. Wavelength Dependence of Verdet Constant of Tb3+:Y2O3 Ceramics // Appl. Phys. Lett. 2016. V. 108. № 16. P. 161905(1–3). https://doi.org/10.1063/1.4947432
  13. Gaume R., He Y., Markosyan A., Byer R.L. Effect of Si-Induced Defects on 1 µm Absorption Losses in Laser-Grade YAG Ceramics // J. Appl. Phys. 2012. V. 111. № 9. 093104. https://doi.org/10.1063/1.4709756
  14. Wang J., Yin D., Ma J., Liu P., Wang Y., Dong Z., Kong L.B., Tang D. Pump Laser Induced Photodarkening in ZrO2-Doped Yb:Y2O3 Laser Ceramics // J. Eur. Ceram. Soc. 2019. V. 39. № 2–3. P. 635–640. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2018.10.003
  15. Ikesue A., Aung Y.L. Synthesis of Yb:YAG Ceramics without Sintering Additives and Their Performance // J. Am. Ceram. Soc. 2017. V. 100. № 1. P. 26–30. https://doi.org/10.1111/jace.14588
  16. Yin D., Ma J., Liu P., Yao B., Wang J., Dong Z., Kong L.B., Tang D. Submicron-Grained Yb:Lu2O3 Transparent Ceramics with Lasing Quality // J. Am. Ceram. Soc. 2019. V. 102. № 5. P. 2587–2592. https://doi.org/10.1111/jace.16105
  17. Li Q., Wang J., Ma J., Ni M., Yang F., Liu P., Lee K.Y., Hsiang H.-I., Shen D., Tang D. Fabrication of High-Efficiency Yb:Y2O3 Laser Ceramics without Photodarkening // J. Am. Ceram. Soc. 2022. V. 105. № 5. P. 3375–3381. https://doi.org/10.1111/jace.18305
  18. Abu-Zied B.M., Mohamed A.-R.N., Asiri A.M. Effect of Thermal Treatment on the Formation, Textural and Electrical Conductivity Properties of Nanocrystalline Tb4O7 // J. Nanosci. Nanotechnol. 2015. V. 15. № 6. P. 4487–4492. https://doi.org/10.1166/jnn.2015.9605
  19. Fursikov P.V., Abdusalyamova M.N., Makhmudov F.A., Shairmardanov E.N., Kovalev I.D., Kovalev D.Yu., Morgunov R.B., Koplak O.V., Volodin A.A., Khodos I.I., Shulga Y.M. Structural Features and Magnetic Behavior of Nanocrystalline Powders of Terbium Oxide Prepared by the Thermal Decomposition of Terbium Acetate in Air // J. Alloys Compd. 2016. V. 657. P. 163–173. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.09.274
  20. Kai F., Bin L., Hongmei C., Shaofan W., Yan W., Yongxing L. Synthesis of Ultrafine TbO1.81 and Tb2O3 Powders for Magneto-Optical Application // J. Synth. Cryst. 2021. V. 50. № 1. P. 80–87.
  21. Kurland H.-D., Grabow J., Stotzel Chr., Muller F.A. Preparation of Ceramic Nanoparticles by CO2 Laser Vaporization // J. Ceram. Sci. Technol. 2014. V. 5. № 4. P. 275–280. https://doi.org/10.4416/JCST2014-00025
  22. Osipov V.V., Platonov V.V., Lisenkov V.V., Tikhonov E.V., Podkin A.V. Study of Nanoparticle Production from Yttrium Oxide by Pulse-Periodic Radiation of Ytterbium Fibre Laser // Appl. Phys. A. 2018. V. 124. P. 3(1–10). https://doi.org/10.1007/s00339-017-1348-9
  23. Snetkov I., Starobor A., Palashov O., Balabanov S., Permin D., Rostokina E. Thermally Induced Effects in a Faraday Isolator on Terbium Sesquioxide (Tb2O3) Ceramics // Opt. Mater. 2021. V. 120. P. 111466(1–4). https://doi.org/10.1016/j.optmat.2021.111466
  24. Глушкова В.Б. Полиморфизм окислов редкоземельных элементов. Л.: Наука, 1967. 132 с.
  25. Porter D.A., Easterling K.E., Sherif M.Y. Phase Transformation in Metals and Alloys. 3rd edn. Boca Raton: CRC Press, 2009. 521 p.
  26. Ishikawa T., Koyama C., Oda H., Saruwatari H., Paradis P.-F. Status of the Electrostatic Levitation Furnace in the ISS – Surface Tension and Viscosity Measurements // Int. J. Microgravity Sci. Appl. 2022. V. 39. № 1. P. 390101(1–12). https://doi.org/10.15011/jasma.39.390101
  27. Hoekstra H.R. Phase Relationships in the Rare Earth Sesquioxides at High Pressure // Inorg. Chem. 1966. V. 5. № 5. P. 754–757. https://doi.org/10.1021/ic50039a013
  28. Накамото К. ИК-спектры и спектры КР неорганических и координационных соединений: Пер. с англ. М.: Мир, 1991. 536 с.
  29. Unal F. A Novel Strong Cyan Luminescence Emission of Tb2O3 Particles // Research Square. 2021. https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-319887/v1
  30. Unal F., Kaya F. Modelling of Relation between Synthesis Parameters and Average Crystallite Size of Yb2O3 Nanoparticles Using Box-Behnken Design // Ceram. Int. 2020. V. 46. № 17. P. 26800–26808. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.07.155
  31. Cui F., Yu J., Cui T. Decoration of Silica with Tb2O3 Nanoparticles by a Facile Method Free of Additional Catalyst // Chem. Lett. 2015. V. 44. № 11. P. 1500–1502. https://doi.org/10.1246/cl.150722
  32. Куражковская В.С., Боровикова Е.Ю. Инфракрасная и мессбауэровская спектроскопия кристаллов. М.: Геологический факультет, 2008. 98 с.
  33. MacChesney J.B., Williams H.J., Sherwood R.C., Potter J.F. Preparation and Low Temperature Magnetic Properties of the Terbium Oxides // J. Chem. Phys. 1966. V. 44. P. 596–601. https://doi.org/10.1063/1.1726730
  34. Mugiraneza S., Hallas A.M. Tutorial: a Beginner’s Guide to Interpreting Magnetic Susceptibility Data with the Curie-Weiss Law // Commun. Phys. 2022. V. 5. P. 1–12. https://doi.org/10.1038/s42005-022-00853-y
  35. Vickery R.C., Ruben A. Magnetic Susceptibilities of Praseodymium and Terbium Oxides // J. Chem. Soc. 1959. P. 510–513. https://doi.org/10.1039/jr9590000510
  36. Baran S., Duraj R., Hoser A., Penc B., Szytula A. Crystal Structure and Magnetic Properties of Tb11O20 // Acta. Phys. Pol. 2013. V. 123. P. 98–100. https://doi.org/10.12693/APhysPolA.123.98
  37. Balabanov S.S., Permin D.A., Rostokina E.Ye., Egorov S.V., Sorokin A.A. Sinterability of Nanopowders of Terbia Solid Solutions with Scandia, Yttria, and Lutetia // J. Adv. Ceram. 2018. V. 7. P. 362–369. https://doi.org/10.1007/s40145-018-0286-0

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (961KB)
3.

Download (446KB)
4.

Download (46KB)
5.

Download (118KB)
6.

Download (84KB)
7.

Download (77KB)
8.

Download (611KB)

Copyright (c) 2023 Р.Н. Максимов, В.В. Платонов, В.В. Осипов, Г.Р. Карагедов, А.С. Юровских, А.В. Спирина, В.А. Шитов

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».