Thermal Conductivity of Single Crystals of CaF2–SrF2–BaF2–YbF3 Solid Solutions

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

Single crystals of CaxSryBazF2 (x = 0.31–0.4045, y = 0.31–0.50, z = 0.10–0.38) and CaxSryBazYb0.005F2.005 (x = 0.295–0.495, y = 0.30–0.50, z = 0.10–0.40) fluorite solid solutions have been grown by the Bridgman technique, and their thermal conductivity has been measured in the range 50–300 K by an absolute steady-state axial heat flow technique. The room-temperature thermal conductivity of all the crystals studied is below 2.5 W/(m K). As the percentage of the heavy components of the solid solutions increases, their thermal conductivity decreases. In addition, this factor reduces the negative effect of the heterovalent dopant YbF3 on the thermal conductivity of the crystals.

About the authors

P. A. Popov

Petrovskii State University

Email: neorganmat@igic.ras.ru
241036, Bryansk, Russia

A. A. Krugovykh

Petrovskii State University

Email: neorganmat@igic.ras.ru
241036, Bryansk, Russia

V. A. Konyushkin

Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: ppfedorov@yandex.ru
119991, Moscow, Russia

A. N. Nakladov

Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: ppfedorov@yandex.ru
119991, Moscow, Russia

S. N. Ushakov

Prokhorov General Physics Institute, Russian Academy of Sciences; Ogarev Mordovian State University

Email: rusjinorgchem@yandex.ru
119991, Moscow, Russia; 430005, Saransk, Russia

M. A. Uslamina

Ogarev Mordovian State University

Email: rusjinorgchem@yandex.ru
430005, Saransk, Russia

K. N. Nishchev

Ogarev Mordovian State University

Email: rusjinorgchem@yandex.ru
430005, Saransk, Russia

S. V. Kuznetsov

Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: ppfedorov@yandex.ru
119991, Moscow, Russia

P. P. Fedorov

A.M. Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: buchinskayii@gmail.com
Russian Federation, 119991, Moscow, Russia

References

  1. Crystals with the Fluorite Structure. Electronic, Vibrational, and Defect Properties / Ed. Hayes W. Oxford: Clarendon Press, 1974. 448 p.
  2. Sobolev B.P. The Rare Earth Trifluorides. P. 1. The High-Temperature Chemistry of the Rare Earth Trifluorides. Barcelona, 2000.
  3. Юшкин Н.П., Волкова Н.В., Маркова Г.А. Оптический флюорит. М.: Наука, 1983. 134 с.
  4. Зверев В. А., Кривопустова Е. В., Точилина Т. В. Оптические материалы. Ч. 2. Учебное пособие для конструкторов оптических систем и приборов. С.-Петербург: ИТМО, 2013. 248 с.
  5. Kaminskii A.A. Laser Crystals Their Physics and Properties. Springer, 1990.
  6. Moncorge R., Braud A., Camy P., Doualan J.L. Fluoride Laser Crystals // Handbook on Solid-State Lasers: Materials, Systems and Applications / Eds. Denker B., Shklovsky E.Woodhead Publishing Series in Electronic and Optical Materials. Oxford Woodhead, 2013. P. 82–109.
  7. Siebold M., Bock S., Schramm U., Xu B., Doulan J.L., Camy P., Moncorge R. Yb:CaF2 – a New Old Laser Crystal // Appl. Phys. B. 2009. V. 97. P. 327–338.
  8. Druon F., Ricaud S., Papadopoulos D.N., Pellegrina A., Camy P., Doulan J.L., Moncorge R., Courjaud A., Mottay E., Georges P. On Yb:CaF2 and Yb:SrF2: Review of Spectroscopic and Thermal Properties and Their Impact on Femtosecond and High Power Laser Performance // Opt. Mater. Express. 2011. V. 1. P. 489–502.
  9. Basiev T.T., Orlovskii Yu.V., Polyachenkova M.V., Fedorov P.P., Kouznetzov S.V., Konyushkin V.A., Osiko V.V., Alimov O.K., Dergachev A.Yu. Continuous Tunable CW Lasing Near 2.75 μm in Diode-Pumped Er3+:SrF2 and Er3+:CaF2 Crystals // Quant. Electron. 2006. V. 36. № 7. P. 591–594. https://doi.org/10.1070/QE2006v036n07ABEH013178
  10. Alimov O.K., Basiev T.T., Doroshenko M.E., Fedorov P.P., Konyuskin V.A., Nakladov A.N., Osiko V.V. Investigation of Nd3+ Ions Spectroscopic and Laser Properties in SrF2 Fluoride Single Crystal // Opt. Mater. 2012. V. 34. № 5. P. 799–802.https://doi.org/10.1016/j.optmat.2011.11.010
  11. Saleta Reig D., Grauel B., Konyushkin V. A., Nakladov A.N., Fedorov P.P., Busko D., Howard I.A., Richards B.S., Resch-Genger U., Kuznetsov S.V., Turshatov A., Würtha C. Upconversion Properties of SrF2:Yb3+, Er3+ Single Crystals // J. Mater. Chem. C. 2020. V. 8. P. 4093–4101. https://doi.org/10.1039/c9tc06591a
  12. Komandin G.A., Spector I.E., Fedorov P.P., Kuznetsov S.V., Ushakov S.N., Uslamina M.A., Nishchev K.N., Garibin E.A. Long-Wavelength Optical Properties of the Ca0.33Sr0.33Ba0.33F2 Solid Solution Single Crystals // Optic. Mater. 2022. P. 112267. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2022.112267
  13. Woody C.L., Anderson D.F. Calorimetry Using Size BaF2 with Photosensitive Wire Chamber Readout // Nucl. Instrum. Methods. Phys. Res. Sect. A. 1988. V. 265. P. 291–300.
  14. Kamada K., Nawata T., Inui Y., Yanagi H., Sato H., Yoshikawa A., Nikl M., Fukuda T. Czochraalski Growth of 8 Inch Size BaF2 Single Crystal for a Fast Scintillator // Nucl. Instrum. Methods. Phys. Res., Sect. A. 2005. V. 537. P. 159–162.
  15. Snetkov I.L., Yakovlev A.I., Palashov O.V. CaF2, BaF2 and SrF2 Crystals’ Optical Anisotropy Parameters // Laser Phys. Lett. 2015. V. 12. P. 095001 (6 p.).
  16. Burnett J.H., Livene Z.H., Shirley E.L. Instrinic Birefringence in Calcium Fluoride and Barium Fluoride // Phys. Rev. 2007. V. 64. P. 241102(R).
  17. Klimm D., Rabe M., Bertram R., Uecker R., Parthier L. Phase Diagram Analysis and Crystal Growth of Solid Solutions Ca1–xSrxF2 // J. Cryst. Growth. 2008. V. 310. № 1. P. 152–155.
  18. Nafziger R.H. High-Temperature Phase Relations in the System BaF2–SrF2 // J. Am. Ceram. Soc. 1971. V. 54. P. 467.
  19. Федоров П.П., Бучинская И.И., Ивановская Н.А., Коновалова В.В., Лаврищев С.В., Соболев Б.П. Фазовая диаграмма системы CaF2–BaF2 // Докл. РАН. 2005. Т. 401. № 5. С. 652–654.
  20. Ushakov S.N., Uslamina M.A., Pynenkov A.A., Mishkin V.P., Nishchev K.N., Kuznetsov S.V., Chernova E.V., Fedorov P.P. Growth and Physical Properties of CaSrBaF6 Single Crystals // Condens. Matter Interph. 2021. V. 23. № 1. P. 93–100. https://doi.org/10.17308/kcmf.2021.23/3310
  21. Chang R.K., Lachina B., Pershan P.S. Raman Scattering from Mixed Crystals // Phys. Rev. Lett. 1966. V. 17. № 14. P. 15–18.
  22. Lachina B., Pershan P.S. Phonon Optical Properties of Ca1–xSrxF2 // Phys. Rev. B. 1970. V. 1. № 4. P. 1765–1786.
  23. Elliot R.J., Kramhansl J.A., Leath P.L. The Theory and Properties of Randomly Disordered Crystals and Related Physical Systems // Rev. Mod. Phys. 1974. V. 46. P. 465. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.46.465
  24. Лившиц А.И., Иомин Л.М., Иванов Ю.Н. Исследование флюоритоподобных твердых растворов системы BaF2–SrF2 методом ЯМР 19F // Журн. неорган. химии. 1997. Т. 42. № 2. С. 298-301.
  25. Кузнецов С.В., Конюшкин В.А., Накладов А.Н., Чернова Е.В., Попов П.А., Пыненков А.А., Нищев К.Н., Федоров П.П. Исследование теплофизических характеристик монокристаллов твердых растворов CaF2–SrF2–RF3 (R = Ho, Pr) с флюоритовой структурой // Неорган. материалы. 2020. Т. 56. № 9. С. 1027–1033. https://doi.org/10.31857/S0002337X20090110
  26. Черневская Э.Г. Смешанные двухкомпонентные монокристаллы типа фтористый кальций-фтористый стронций и их оптические свойства // Опт.-мех. пром-ть. 1960. № 5. С. 28–32.
  27. Черневская Э.Г. Твердость смешанных монокристаллов типа CaF2 // Опт.-мех. пром-ть. 1966. № 7. С. 51–52.
  28. Черневская Э.Г., Ананьева Г.В. О структуре смешанных кристаллов на основе CaF2, SrF2, ВaF2 // Физика твердого тела. 1966. Т. 8. № 1. С. 216–219.
  29. Pastor R.C., Pastor A.C. Solid Solutions of Metal Halides under a Reactive Atmosphere // Mater. Res. Bull. 1976. № 8. P. 1043–1050.
  30. Basiev T.T., Vasil’ev S.V., Doroshenko M.E., Konuyshkin V.A., Kouznetsov S.V., Osiko V.V., Fedorov P.P. Efficient Lasing in Diode-Pumping Yb3+:CaF2-SrF2 Solid Solution Single Crystals // Quant. Electron. 2007. V. 37. № 10. P. 934–937. https://doi.org/10.1070/QE2007v037n10ABEH013662
  31. Кузнецов С.В., Александров А.А., Федоров П.П. Фторидная оптическая нанокерамика // Неорган. материалы. 2021. Т. 57. № 5. С. 583–607. https://doi.org/10.31857/S0002337X21060075
  32. Basiev T.T., Doroshenko M.E., Fedorov P.P., Konyushkin V.A., Kuznetsov S.V., Osiko V.V., Akchurin M.Sh. Efficient Laser Based on CaF2–SrF2–YbF3 Nanoceramics // Opt. Lett. 2008. V. 33. № 5. P. 521–523. https://doi.org/10.1364/OL.33.000521
  33. Zhu C., Song J., Mei B., Li W., Liu Z. Fabrication and Optical Characterizations of CaF2–SrF2–NdF3 Transparent Ceramics // Mater. Lett. 2016. V. 167. P. 115–117.
  34. Zhou Z., Mei B., Song J., Li W., Yang Y., Yi G. Effects of Sr2+ Content on Microstructure and Spectroscopic Properties of Nd3+ Doped Ca1-xSrxF2 Transparent Ceramics // J. Alloys Compd. 2019. V. 811. P. 152046.
  35. Chen X., Wu Y. High-Entropy Transparent Fluoride Laser Ceramics // J. Am. Ceram. Soc. 2020. V. 103. № 2. P. 750–756. https://doi.org/10.1111/jace.16842
  36. Берман Р. Теплопроводность твердых тел. М.: Мир, 1979. 286 с.
  37. Попов П.А., Федоров П.П. Теплопроводность фторидных оптических материалов. Брянск: Группа компаний “Десяточка”, 2012. 210 с. ISBN 978-5-91877-093-1
  38. Popov P.A., Dykel’skii K.V., Mironov I.A., Demidenko V.A., Smirnov A.N., Smolyanskii P.L., Fedorov P.P., Osiko V.V., Basiev T.T. Thermal Conductivity of CaF2 Optical Ceramics // Dokl. Phys. 2007. V. 52. № 1. P. 7–9. https://doi.org/10.1134/S1028335807010028
  39. Popov P.A., Fedorov P.P., Konyushkin V.A., Nakladov A.N., Kuznetsov S.V., Osiko V.V., Basiev T.T. Thermal Conductivity of Single Crystals of Sr1‑xYbxF2 + x Solid Solution // Dokl. Phys. 2008. V. 53. № 8. P. 413–415. https://doi.org/10.1134/S1028335808080016
  40. Popov P.A., Fedorov P.P., Kuznetsov S.V., Konyushkin V.A., Osiko V.V., Basiev T.T. Thermal Conductivity of Single Crystals of Ba1 – xYbxF2 + x // Dokl. Phys. 2008. V. 53. № 7. P. 353–355. https://doi.org/10.1134/S1028335808070045
  41. Popov P.A., Moiseev N.V., Karimov D.N., Sorokin N.I., Sulyanova E.A., Sobolev B.P., Konyushkin V.A., Fedorov P.P. Thermophysical Characteristics of Ca1−xSrxF2 Solid-Solution Crystals (0 ≤ x ≤ 1) // Crystallogr. Rep. 2015. V. 60. № 1. P. 116–122. https://doi.org/10.1134/S1063774515010186
  42. Попов П.А., Круговых А.А., Конюшкин В.А., Накладов А.Н., Кузнецов С.В., Федоров П.П. Теплопроводность монокристаллов Sr1–хBaхF2 // Неорган. материалы. 2021. Т. 57. № 6. С. 658–662. https://doi.org/10.31857/S0002337X21060087
  43. Попов П.А., Круговых А.А., Зенцова А.А., Конюшкин В.А., Накладов А.Н., Кузнецов С.В., Федоров П.П. Теплопроводность монокристаллов твердых растворов системы CaF2–BaF2 // Неорган. материалы. 2022. Т. 58. № 4. С. 414–420. https://doi.org/10.31857/S0002337X22040133
  44. Fedorov P.P., Osiko V.V. Crystal Growth of Fluorides // Bulk Crystal Growth of Electronic. Optical and Optoelectronic Materials / Ed. Capper P. Wiley Series in Materials for Electronic and Optoelectronic Applications. N. Y. Wiley, 2005. P. 339–356.
  45. Воронько Ю.К., Осико В.В., Удовенчик В.Т., Фурсиков M.M. Оптические свойства кристаллов CaF2-Dy3+ // ФТТ. 1965. Т. 7. С. 267–273.
  46. Pastor R.C. Crystal Growth of Metal Fluorides for CO2 Laser Operation II. Optimization of the Reactive Atmosphere Process (RAP) Choice // J. Cryst. Growth. 1999. V. 203. P. 421–424.
  47. Popov P.A., Sidorov A.A., Kul’chenkov E.A., Anishchenko A.M., Avetissov I.C., Sorokin N.I., Fedorov P.P. Thermal Conductivity and Expansion of PbF2 Single Crystals // Ionics. 2017. V. 23. № 1. P. 233–239. https://doi.org/10.1007/s11581-016-1802-2
  48. Popov P.A., Fedorov P.P., Kuznetsov S.V., Konyushkin V.A., Osiko V.V., Basiev T.T. Thermal Conductivity of Single Crystals of Ca1–xYbxF2+x Solid Solutions // Dokl. Phys. 2008. V. 53. № 4. P. 198–200. https://doi.org/10.1134/S102833580804006X
  49. Kazanskii S.A., Ryskin A.I., Nikiforov A.E., Zaharov A.Y., Ougrumov M.Y., Shakurov G.S. EPR Spectra and Crystal Field of Hexamer Rare-Earth Clusters in Fluorites // Phys. Rev. B. 2005. V. 72. № 1. P. 014127.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (418KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 П.А. Попов, А.А. Круговых, В.А. Конюшкин, А.Н. Накладов, С.Н. Ушаков, М.А. Усламина, К.Н. Нищев, С.В. Кузнецов, П.П. Федоров

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».