Granat lutetowo-aluminiowy
Granat lutetowo-aluminiowy (powszechnie w skrócie LuAG , wzór cząsteczkowy Lu 3 Al 5 O 12 ) to związek nieorganiczny o unikalnej strukturze krystalicznej, znany przede wszystkim z zastosowania w wysokowydajnych urządzeniach laserowych . LuAG jest również przydatny w syntezie przezroczystej ceramiki .
LuAG jest domieszkowanym kryształem scyntylacyjnym, który wykazuje luminescencję po wzbudzeniu . Kryształy migoczące są wybierane ze względu na wysoką doskonałość strukturalną, dużą gęstość i wysoką efektywną liczbę atomową. LuAG jest szczególnie preferowany w porównaniu z innymi kryształami ze względu na wysoką gęstość i przewodność cieplną . LuAG ma stosunkowo małą stałą sieci w porównaniu z innymi granatami ziem rzadkich , co skutkuje wyższą gęstością wytwarzającą pole krystaliczne o węższych szerokościach linii i większym rozszczepieniu poziomu energii w absorpcji i emisji. Te właściwości sprawiają, że jest doskonałym gospodarzem dla aktywnych jonów, takich jak Yb, Tm, Er i Ho, stosowanych w laserach półprzewodnikowych pompowanych diodami . Gęstość kryształu lutetu jest większa niż innych metali, takich jak itr , co oznacza, że właściwości kryształu nie zmieniają się wraz z dodatkiem domieszki jony. Może być szczególnie przydatny do wykrywania i kwantyfikacji cząstek o wysokiej energii ze względu na swoją gęstość i stabilność termiczną. Ta wysoka temperatura topnienia, oprócz braku dostępności lutetu, sprawiła, że kryształ ten jest rzadziej używany niż inne granaty, pomimo jego korzystnych właściwości fizycznych.
Właściwości fizyczne i struktura
Granat lutetowo-aluminiowy o wzorze cząsteczkowym Lu 3 Al 5 O 12 ma złożoną sześcienną strukturę krystaliczną. Komórka elementarna zawiera 24 atomy lutetu w c , 96 atomów tlenu w miejscach h oraz aluminium w 16 miejscach a i 24 d .
Masa jonu lutetu jest zbliżona do aktywnych laserowo lantanowców, które są używane do domieszkowania, co oznacza, że przewodność cieplna nie ulega zmianie, jak miałoby to miejsce w przypadku innych struktur granatu przy wyższych poziomach domieszkowania. Dodatkowo promień kryształu lutetu ogranicza zmiany obserwowane w strukturze kryształu z obecnością domieszkowania.
| Wzór chemiczny | Lu 3 Al 5 O 12 |
|---|---|
| Struktura krystaliczna | Sześcienny |
| Waga molekularna | 851,81 g/mol |
| Gęstość | 6,71 g/cm 3 |
| Temperatura topnienia | 1980˚C |
| Ciepło właściwe | 0,419 J/gK |
Synteza
Granat lutetowo-aluminiowy to sztuczny kryształ, który można wyhodować techniką opracowaną około wieku temu, procesem wzrostu Czochralskiego . Metoda ta pozwala na formowanie monokryształowych cylindrów różnych scyntylatorów. Metoda jest wykorzystywana do wzrostu kryształów półprzewodników, tlenków, fluorków i halogenków oprócz kryształów metali.
Proces wzrostu LuAG jest stosunkowo prosty ze względu na jego strukturę krystalograficzną i właściwości fizykochemiczne. Jednak ze względu na stabilność termiczną materiałów wzrost ten wymaga aparatury, która poradzi sobie z wysokim zasilaniem i temperaturami do 2500 ˚C.
Wzrost hydrotermalny granatów był rejestrowany od lat 60. XX wieku i obecnie został zademonstrowany dla LuAG jako technika alternatywna dla tradycyjnej metody topienia stosowanej w przeszłości. Ta metoda umożliwia hodowanie kryształów w niższych temperaturach, ograniczając defekty indukowane termicznie, które skutkują ekspansją optycznie bezużytecznego kryształu.
Metodę tę zastosowano bez użycia materiału siewnego LuAG ze względu na jego niedostępność i koszt. Zamiast tego wzrost przeprowadzono przy użyciu granatu itrowo-aluminiowego z minimalnym niedopasowaniem sieci wynoszącym 0,6%. Hodowlę prowadzono stosując sproszkowany tlenek lutetu(III) i pokruszony szafir z mineralizatorem 2M wodorowęglanem potasu w gradiencie termicznym 610 - 640˚C.
Aplikacje
Proces laserowania kryształów granatu aluminiowego jest przeprowadzany przez atomy domieszek, zwykle metali ziem rzadkich, które zastępują w strukturze kryształu kilka atomów pierwotnego metalu (w tym przypadku lutetu). Rola niepodstawionych atomów lutetu, glinu i tlenu jako wsparcie dla jonów domieszek.