镥铝石榴石晶体的性能及其应用.docx

文章编号：1000-2278（2011）04-0621-05镥铝石榴石晶体的性能及其应用邢琳杨林峰（中原工学院理学院，河南郑州450007）摘要镥铝石榴石（LuAG）晶体是一种性能优异的激光和闪烁基质材料，具有广泛的应用前景。本论文主要综述了LuAG晶体的结构、晶体的物理化学性能、晶体的存在形式及制备技术，并阐述了稀土掺杂LuAG晶体的发光机理、闪烁性能及其潜在的应用。关键词LuAG；晶体；结构；制备；性能中图分类号：TQ174.75文献标识码：AC3i，而另外24个Al3+位于由4个O2-配位的四面体中心，其对称性为S4。八面体的Al3+形成体心立方结构，四面体的Al3+和十二面体的Lu3+处于立方体的面等分线上。LuAG是由一些共顶点的四面体和八面体所组成，O2-位于角上，Al3+位于中心。每个八面体和6个四面体相连，每个四面体和4个八面体相连，Lu3+位于由这些四面体和八面体构成的十二面体网格的中心，如表1和图1所示。还可看出，每个四面体和每个八面体分别同2个和6个三角形的十二面体共棱，每个三角十二面体同2个四面体，4个八面体和4个其它的三角十二面体共棱。由于八面体和四面体都是由两种不同的键长组成，呈歪斜状，因此LuAG晶格是一种畸变的结构[5-7]，如图2所示。0前言1928年，Menzer[1]发现了石榴石晶体结构，它的空间群为Ia3d，Schoenflies符号为Oh(10)，属于体心立方晶系。所谓石榴石是原指一系列天然矿石而言，这些矿石的颗粒外形很像石榴子，因此称作石榴石。天然的石榴石矿是金属的硅酸盐，分子式通式为2+3+R3R2(SiO4)3,其中R可以是Ca、Mg、Fe和Mn等，2+2+2+2+2+R3+可以是Al3+、Fe3+和Cr3+等[2]。当R2+、R3+、Si4+完全由Lu3+和Al3+取代后，就成了分子式为Lu3Al2(AlO4)3的镥铝石榴石（常写为Lu3Al5O12或缩写为LuAG）。LuAG具有光学各向同性的特点[3]，可获得较高的光学质量，是一种综合性能优良的激光和闪烁基质材料，近年来掺杂的LuAG得到了广泛的研究。2LuAG晶体的物理化学性能LuAG晶体为立方晶格结构，具有密度大，有效原子序数高，熔点高，热传导率高，硬度高，热膨胀系数低，无双折射效应等特点。此外，LuAG晶体的透明度高、化学稳定性好、机械强度较高，可在长期辐射条件下保持稳定的光学和物化性能等[9-12]，其基本性能参数见表2。1LuAG晶体的结构LuAG晶体为石榴石结构，属于体心立方晶系。在LuAG中，所有阳离子都是正三价，晶胞常数为11.914魡[4]。在单位晶胞中有8个Lu3Al2(AlO4)3分子，一共24个Lu3+，40个Al3+，96个O2-。Lu3+位于由8个O2-配位的十二面体中心，其对称性为D2d，16个Al3+位于由6个O2-配位的八面体中心，其对称性为3LuAG晶体的存在形式及常见的制备方法收稿日期：2011-08-29基金项目：河南省教育厅自然科学研究计划项目（编号：2011B140024）；国家自然科学基金资助项目（编号通讯联系人：邢琳，E-mail:hahaxinglin@图2镥铝石榴石结构中氧多面体示意图[6]图1镥铝石榴石晶体的网格模型[5]Fig.2SchematicO-atomcoordinationpolyhedrainFig.1StructuremoduleofLuAGcrystaltheLuAGstructure《陶瓷学报》2011年第4期622表1LuAG的结晶学特征参数[5-8]Tab.1CrystallographiccharacteristicsofLuAG原子LuAl(1)Al(2)O空间群位置对O离子的配位数多面体形式对称性离子半径（nm）24c8畸变十二面体D2d0.084816a6畸变八面体C3i0.05424d4畸变四面体S40.03996h---0.132表2LuAG单晶的基本性能参数[4,11-15]Tab.2GeneralcharacteristicsofLuAG名称参数名称参数分子式分子量晶体结构空间群晶格常数密度熔点色泽有效原子序数折射率莫氏硬度介电常数介电损耗热导率热容热膨胀系数热扩散系数杨氏模量Lu3Al5O12852立方晶系Ia3d11.914魡6.73g/cm32010℃无色Zeff≈651.8424(589nm)/2.14(193nm)8.513.7~15.5(74K~353K)0~9×10-3(74K~353K)8Wm-1K-10.411J/gK(8.8±0.3)×10-6K-1(290-1275K)0.0347cm2/s300GPa基于LuAG晶体的应用，目前开发研究的LuAG晶体存在的形式分别有体单晶、陶瓷、粉体、薄膜