Свойства наночастиц оксида тербия, синтезированных методом лазерной абляции в восстановительной среде

Максимов Р. Н.; Платонов В. В.; Осипов В. В.; Карагедов Г. Р.; Юровских А. С.; Спирина А. В.; Шитов В. А.

doi:10.31857/S0002337X23020112

Свойства наночастиц оксида тербия, синтезированных методом лазерной абляции в восстановительной среде

Autores: Максимов Р.¹^,2, Платонов В.¹, Осипов В.¹, Карагедов Г.³, Юровских А.², Спирина А.¹, Шитов В.¹
Afiliações:
1. Институт электрофизики УрО Российской академии наук
2. Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина
3. Институт химии твердого тела и механохимии СО Российской академии наук
Edição: Volume 59, Nº 2 (2023)
Páginas: 176-184
Seção: Articles
URL: https://journals.rcsi.science/0002-337X/article/view/140128
DOI: https://doi.org/10.31857/S0002337X23020112
EDN: https://elibrary.ru/YDRFJY
ID: 140128

Citar

Texto integral

Acesso aberto
Acesso é fechado

Acesso está concedido
Acesso é fechado

Somente assinantes

Resumo
Sobre autores
Bibliografia
Arquivos suplementares
Estatísticas

Resumo

Сообщается о синтезе наноразмерных частиц полуторного оксида тербия (Tb₂O₃) методом лазерной абляции твердой мишени в потоке двухкомпонентной сварочной смеси 95% Ar + 5% H₂ с использованием волоконного иттербиевого лазера со средней мощностью 300 Вт. Исследованы морфологические и структурные особенности полученного нанопорошка, его термическое поведение и магнитные свойства, а также динамика уплотнения в процессе нагрева до 1450°C в вакууме. Синтезированные частицы имели форму, близкую к сферической, средний размер 13 нм и моноклинную кристаллическую структуру, необратимое преобразование которой в кубическую структуру с симметрией \(Ia\overline 3 \) достигалось посредством обжига в аргоне или вакууме при температурах около 750 и 1050°C соответственно. С использованием измеренной температурной зависимости удельной намагниченности установлены значения парамагнитной температуры Кюри (θ_p = −11.8 K), постоянной Кюри (C = 11.74 К эме/(моль Э)) и эффективного магнитного момента (μ_eff = 9.69 μ_B/Tb), указывающие на преобладание антиферромагнитного обменного взаимодействия между ионами тербия и на предельно низкое содержание ионов Tb⁴⁺ в нанопорошке. Показана возможность изготовления прозрачной керамики Tb₂O₃ с помощью консолидации предспеченных наночастиц методом горячего изостатического прессования в течение 2 ч при температуре 1450°C и давлении 200 МПа.

Palavras-chave

лазерный синтез, горячее изостатическое прессование, полиморфное превращение, магнитный момент, прозрачная керамика

Bibliografia

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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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.
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
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
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
Глушкова В.Б. Полиморфизм окислов редкоземельных элементов. Л.: Наука, 1967. 132 с.
Porter D.A., Easterling K.E., Sherif M.Y. Phase Transformation in Metals and Alloys. 3rd edn. Boca Raton: CRC Press, 2009. 521 p.
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
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
Накамото К. ИК-спектры и спектры КР неорганических и координационных соединений: Пер. с англ. М.: Мир, 1991. 536 с.
Unal F. A Novel Strong Cyan Luminescence Emission of Tb2O3 Particles // Research Square. 2021. https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-319887/v1
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
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
Куражковская В.С., Боровикова Е.Ю. Инфракрасная и мессбауэровская спектроскопия кристаллов. М.: Геологический факультет, 2008. 98 с.
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
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
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
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
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