Dy掺杂α-SiAlON陶瓷透明机理研究.pdfVIP

中国空间科学学会空间材料专业委员会2009学术交流会 Dy掺杂仅．SiAION陶瓷的透明机理研究 钟红梅1，刘茜1，江俊2，赫伟1一，归林华1 1(中国科学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室，上海．200050) 91) 2(瑞典皇家工学院生物技术学院理论化学系，斯德哥尔摩，S-106 ’(中国科学院研究生院，北京。100039) 摘要：本文通过第一性原理计算研究了Dy掺杂a-SiMON透明机理。D，掺杂的透明a．SIMON陶瓷，是利 用热压烧结法制各的，样品在1．5—5．0Ilm光谱范围内获得高于70％的透过率。其中计算结果显示：由于 eV 掺杂的Dy原子的价电子与a-SiMON价带顶附近的掺杂能级相互作用，导致a-SiAION光学带隙从0．4 增加到1．1eV，由此抑止波长大于1．01．t in的光子的吸收。计算结果与实验结果一致。 前言 及稀土元素)。由于其具有高硬度和机械强度、耐磨擦、良好的化学稳定性及热抗震性等优 良性能，在航空、航天、交通、运输等领域具有广泛的应用前景。 近年来研究发现，稀土掺杂的a-SiAlON陶瓷在中红外波段具有一定的透光性【l捌，这无 疑显示了n．SiAloN陶瓷除作为高性能结构陶瓷应用外，在光学领域也将具有巨大潜力，如 极端条件下作为红外窗口材料和透镜材料等。目前对稀士掺杂的a-SiAION陶瓷的透光性能 研究主要集中在陶瓷烧结工艺[4-s]、相图№】及掺杂稀土种类【7】方面。对其透光机理方面尚缺乏 理论研究。然而，揭示稀土掺杂a．SiAlON陶瓷透明的机理，对于其在光学方面的应用将具 有重要意义。因此，本文采用第一性原理对热压法制备的透明Dy掺杂的ix．SiAION陶瓷的 透明机理进行了理论计算，结果表明：Dy原子的价电子能与ix．SiAlON价带顶掺杂能级相 互作用，使带隙从0．4eV增加到1．1eV，因而抑止了波长大于1．Ou111的光子吸收，由此使 Itm波段具有高的光学透过率。 得Dy掺杂的ix．SiAlON陶瓷在大于1．0 一、 实验方法与理论计算模型 1．1实验方法 计算每种原料的用量。称量好的原料放到球磨罐中，以无水乙醇为介质球磨24小时，得到 浆料在烘箱中80℃烘干后，过筛得到混合均匀的粉体。称取6．0 g混合粉体在直径巾25蚴 石墨模具中热压烧结。石墨模具内表面涂覆BN防止C污染。使用热压炉，在N2气氛中烧 结，压力为25MPa，升温到1700℃，再保温l小时。对烧结后样品进行磨片和抛光处理至 厚度为0．5 mill，分别利用紫外分光光度计(HITACHI，ModelU．2800)和红外光谱仪(Bruker， IFS 66v／s)对可见和红外波段透过率进行测试。 1．2理论模型建立 ．首先，根据Izumi等人在实验中发现并确定的晶体结构构建ix．Si丑叱的团簇饵1，该团簇模 子结构和透过光谱。 二、结果与讨论 中囝空问科学学会空问材料专业委员会2009学术交流会 罔1给flj了听掺杂a-SiAION陶瓷的，丈验和理论训葬的透射光i蒋时。从圈巾我们可以 5—5．0 um隧问最人透过事人1：70％．井 看出实验删得的Dy掺杂小SiAION脚瓷样品庄I 且在可见光波段有50％的透过率。短波和K波截J1分，：，J为0．4um和I5．0㈨为T_|{5示Dy mI 掺杂对a-SiAION透光性的影响，我f『J来川第一钮鳅理计弗了Ⅱ…SiN、n．SiAION