Formation of Glass Ceramics of the Composition (100–x)[10(20Bi2O3–60B2O3–20BaO)–90YAG]:xNd2O3 by Laser Sintering

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

Glass ceramics doped with neodymium oxide (100–x)[10(20Bi2O3–60B2O3–20BaO)–90YAG]:xNd2O3 (x = 0.1, 0.5, 1, 1.5 and 2 mol.%) from an ultrafine charge, according to the conditions for obtaining which its particles (with an average size of 1 micron) consist of a core and shell, which, when sintered, form crystals and the glass phase that holds them together. With the indicated compositions of the glass phase and the crystalline component and their ratio in the charge precursor, which is unique in structure, glass-ceramic samples were formed using a laser, in which the presence of glass was confirmed by the DSC method, and the garnet phase was determined by the XRD method against the background of a halo from the glass phase. The physicochemical and spectral luminescent characteristics of the obtained glass ceramic samples have been studied, while the maximum luminescence at 1060 ± 3 nm is reached at 1.5 mol.% Nd2O3, and a further increase of 2 or more mol.% leads to a decrease in the luminescence peak due to the effect of concentration quenching.

About the authors

A. D Plekhovich

G.G. Devyatykh Institute of Chemistry of High-Purity Substances of the Russian Academy of Sciences

Email: plekhovich@ihps-nnov.ru
Nizhny Novgorod, Russian Federation

A. M Kutin

G.G. Devyatykh Institute of Chemistry of High-Purity Substances of the Russian Academy of Sciences

Nizhny Novgorod, Russian Federation

E. E Rostokinа

G.G. Devyatykh Institute of Chemistry of High-Purity Substances of the Russian Academy of Sciences

Nizhny Novgorod, Russian Federation

M. E Komshina

G.G. Devyatykh Institute of Chemistry of High-Purity Substances of the Russian Academy of Sciences

Nizhny Novgorod, Russian Federation

K. V Balueva

G.G. Devyatykh Institute of Chemistry of High-Purity Substances of the Russian Academy of Sciences

Nizhny Novgorod, Russian Federation

K. F Shumovskaya

G.G. Devyatykh Institute of Chemistry of High-Purity Substances of the Russian Academy of Sciences

Nizhny Novgorod, Russian Federation

S. V Kurashkin

G.G. Devyatykh Institute of Chemistry of High-Purity Substances of the Russian Academy of Sciences

Nizhny Novgorod, Russian Federation

E. N Razov

Institute for Problems in Mechanical Engineering of the Russian Academy of Sciences

Nizhny Novgorod, Russian Federation

References

  1. Yang Z., Albrow-Owen T., Cai W., Hasan T. Miniaturization of optical spectrometers // Science. 2021. V. 371. № 6528. P. abe0722. https://doi.org/10.1126/science.abe0722
  2. Veiko V.P., Kieu Q.K. Phase-structural transformations of glass-ceramics under laser heating as a way to create new micro-optical components and materials // Proc. SPIE. 2004. V. 5399. P. 11–20. https://doi.org/10.1117/12.552293
  3. Khalid M., Ebendorff-Heidepriem H., Lancaster D.G. Performance evaluation of ∼2.1 μm microchip laser operation in Ho3+ doped germanate glass // Opt. Commun. 2025. V. 575. P. 131253. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2024.131253
  4. Liu Y., Qiu Z., Ji X. et al. A fully hybrid integrated erbium-based laser // Nat. Photon. 2024. V. 18. P. 829–835. https://doi.org/10.1038/s41566-024-01454-7
  5. Rasmussen T.S., Mørk J. Theory of microscopic semiconductor lasers with external optical feedback // Opt. Express. 2021. V. 29. № 10. P. 14182–14188. https://doi.org/10.1364/OE.417869
  6. Беспалов В.Г. Основы оптоинформатики Ч. I. Информационные технологии — от электронного к оптическому компьютеру. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2006. 52 с.
  7. Guilfoyle P.S., McCallum D.S. High-speed low-energy digital optical processors // Opt. Eng. 1996. V. 35. P. A3–A9. https://doi.org/10.1117/1.600912
  8. Беспалов В.Г., Васильев В.Н. Информационные технологии, оптический компьютер и фотонные кристаллы // Проблемы когерентной и нелинейной оптики. Сб. статей. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2000. С. 88–110.
  9. McMahon P.L. The physics of optical computing // Nat. Rev. Phys. 2023. V. 5. P. 717–734. https://doi.org/10.1038/s42254-023-00645-5
  10. Tucker R.S. The role of optics in computing // Nat. Photon. 2010. V. 4. P. 405. https://doi.org/10.1038/nphoton.2010.162
  11. Полещук А.Г., Корольков В.П., Вейко В.П., Заколдаев Р.А., Сергеев М.М. Лазерные технологии в микрооптике. Ч. II. Изготовление элементов с трехмерным микрорельефом // Автометрия. 2018. Т. 54. № 2. С. 3–19. https://doi.org/10.15372/AuT20180201
  12. Inoue T., Gao X., Shinozaki K., Honma T., Komatsu T. Laser patterning of non-linear optical Bi2ZnB2O7 crystal lines in glass // Front. Mater. 2015. V. 2. P. 42. https://doi.org/10.3389/fmats.2015.00042
  13. Вейко В.П., Костюк Г.К., Никоноров Н.В., Яковлев Е.Б. Структурно-фазовая модификация стеклокерамических материалов под действием излучения CO2-лазера // Изв. РАН. Сер. физ. 2008. Т. 72. № 2. С. 184–188.
  14. Veiko V.P., Kieu Q.K., Nikonorov N.V., Shur V.Ya., Luches A., Rho S. Laser-induced modification of glass-ceramics microstructure and applications // Appl. Surface Sci. 2005. V. 248. № 1. P. 231–237. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2005.03.090
  15. Lianhua Ji, Heuring V.P. Impact of gate fan-in and fan-out limits on optoelectronic digital circuits // Appl. Opt. 1997. V. 36. № 17. P. 3927–3940. https://opg.optica.org/ao/abstract.cfm?uRI=ao-36-17-3927
  16. Бреховских М.Н., Батыгов С.Х., Моисеева Л.В., Егорышева А.В., Федоров В.А. Кристаллизация фторид хлоридных стекол на основе фторида гафния // Неорган. материалы. 2016. Т. 52. № 1. С. 66–71. https://doi.org/10.7868/S0002337X16010024
  17. Барановская В.Б., Карпов Ю.А., Петрова К.В., Короткова Н.А. Современные направления использования редкоземельных металлов и их соединений в металлургии и производстве оптических материалов // Цв. металлы. 2020. № 11. С. 54–62. https://doi.org/10.17580/tsm.2020.11.08
  18. Лукьяшин К.Е., Ищенко А.В. Синтез и оптические свойства керамики YAG:Ce с высокой концентрацией церия // Журн. неорган. химии. 2021. Т. 66 № 8. С. 1099–1107. https://doi.org/10.31857/S0044457X21080134
  19. Kravtsov A.A., Chapura O.M., Tarala V.A., Medyanik E.V., Tarala L.V., Suprunchuk V.E., Malyavin F.F., Kuznetsov S.V., Tsvetkov V.S., Dobretsova E.A., Kalachev Yu.L., Lapin V.A. Fabrication and characterization of LuAG:Er ceramics with high optical transmission // J. Eur. Ceram. Soc. 2025. V. 45. № 3. P. 117033. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2024.117033
  20. Соломаха Т.А., Трусова Е.Е., Третьяк Е.В. Люминесцентные материалы в форме стеклокерамики // Журн. БГУ. Химия. 2020. № 1. С. 88–94. https://doi.org/10.33581/2520-257X-2020-1-88-94
  21. Lach R., Wojciechowski K., Łańcucki Ł., Stan M., Trenczek-Zając A., Bućko M.M. Transparent YAG material prepared from nanopowder with core-shell morphology // Ceram. Int. 2019. V. 45. № 15. P. 19141–19147. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.06.160
  22. Wang S.F., Zhang J., Luo D.W., Gu F., Tang D.Y., Dong Z.L., Tan G.E.B., Que W.X., Zhang T.S., Li S., Kong L.B. Transparent ceramics: processing, materials and applications // Prog. Solid State Chem. 2013. V. 41. P. 20–54. https://doi.org/10.1016/j.progsolidstchem.2012.12.002
  23. Wagner F., Nolte P.W., Steudel F., Schweizer S. Thermographic investigation of luminescent barium borate glasses for white-LED applications // SPIE. 2015. V. 9485. P. 948516. https://doi.org/10.1117/12.2177024
  24. Волощук Д.С., Анисимов В.В., Макаров Н.А. Стеклокерамика на основе корунда, модифицированного боросиликатным стеклом для LTCC технологии // Стекло и керамика. 2024. Т. 97. № 6. С. 22–26. https://doi.org/10.14489/glc.2024.06.pp.022-026
  25. Speiser J. Scaling of thin-disk lasers — influence of amplified spontaneous emission // J. Opt. Soc. Am. B. 2009. V. 26. № 1. P. 26–35. https://doi.org/10.1364/JOSAB.26.000026
  26. Yagia H., Takaichi K., Ueda K., Yanagitani T., Kaminskii A.A. Influence of annealing conditions on the optical properties of chromium-doped ceramic Y3Al5O12 // Opt. Mater. 2006. V. 29. № 4. P. 392–396. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2005.08.035
  27. Гаранин С.Г., Осипов В.В., Шитов В.А., Соломонов В.И., Лукьяшин К.Е., Спирина А.В., Максимов Р.Н., Поздняков Е.В. Nd:YAG/Cr:YAG композитная лазерная керамика // Оптика атмосферы и океана. 2016. Т. 29. № 2. С. 102–105. https://doi.org/10.15372/AOO20160203
  28. Лидин Р.А., Молочко В.А., Андреева Л.Л. Химические свойства неорганических веществ / Под ред. Лидина Р.А. 6-е изд. М.: ИНФРА-М, 2019. 480 с.
  29. Aghili S., Panjepour M., Meratian M. Kinetic analysis of formation of boron trioxide from thermal decomposition of boric acid under non-isothermal conditions // J. Therm. Anal. Calorim. 2018. V. 131. P. 2443–2455. https://doi.org/10.1007/s10973-017-6740-3
  30. Kaur G., Kainth S., Kumar R., Sharma P., Pandey O.P. Reaction kinetics during non-isothermal solid-state synthesis of boron trioxide via boric acid dehydration // React. Kinet. Mech. Cat. 2021. V. 134. P. 347–359. https://doi.org/10.1007/s11144-021-02084-8
  31. Balcı S., Sezgi N.A., Eren E. Boron oxide production kinetics using boric acid as raw material // Ind. Eng. Chem. Res. 2012. V. 51. P. 11091–11096. https://doi.org/10.1021/ie300685x
  32. Плехович А.Д., Кутьин А.М., Ростокина Е.Е., Балуева К.В., Комшина М.Е., Шумовская К.Ф., Евдокимов И.И., Курашкин С.В., Разов Е.Н. Синтез стеклокерамики методом пропитки алюмоиттрий-эрбиевого граната расплавом стекла BaO–B2O3–Bi2O3 // Неорган. материалы. 2024. Т. 60. № 3. С. 364–372. https://doi.org/10.31857/S0002337X24030149
  33. Плехович А.Д., Кутьин А.М., Балуева К.В., Ростокина Е.Е., Комшина М.Е., Шумовская К.Ф. Анализ химических и фазовых превращений при синтезе стеклокерамики на основе висмут-барий-боратного стекла и Er:YAG // Журн. неорган. химии. 2024. Т. 69. № 8. С. 1155–1162. https://doi.org/10.31857/S0044457X24080085
  34. Kutyin A.M., Rostokina E.Ye., Gavrishchuk E.M., Drobotenko V.V., Plekhovich A.D., Yunin P.A. Kinetics and formation mechanism of yttrium aluminum garnet from an amorphous phase prepared by the sol–gel method // Ceram. Int. 2015. V. 41. № 9. P. 10616–10623. https://doi.org/10.1016/J.CERAMINT.2015.04.161

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).