مقایسه و بررسی تأثیر اکسید سریوم و سولفات سریوم بر رفتار نوری شیشه و شیشه سرامیک یاگ
الموضوعات :
1 - پژوهشگاه مواد وانرژی
الکلمات المفتاحية: یاگ, شیشه سرامیک, نورتابی, شیشه, سریوم,
ملخص المقالة :
در این مقاله جهت تهیه شیشه و شیشه –سرامیک یاگ سیلیکاتی به روش ذوب از دو نمک سولفات سریوم و اکسید سریوم استفاده شد. طبق نتایج آنالیز نورتابی در هر دو شیشه، طیف نشر در بازه 460 و 420 نانومتر مربوط به یون سریوم با تهییج 240 نانومتر وجود داشتند. نشان داده شد که با عملیات حرارتی، کریستال گارنت (در نمونه سولفات دار) کمتر از نمونه حاوی اکسید سریوم تشکیل شد. نشر ایجاد شده در هر دو شیشه -سرامیک توسط فازهای سیلیکاتی با تهییج توسط 240 نانومتر در بازه طول‌موج 460 نانومتر به دست آمد. همچنین، طولموجهای 534 و 660 نانومتر با تهییج توسط طول‌موج 340 نانومتری به دست آمدند. عملیات حرارتی با سه روش جداگانه بر روی نمونهها در کوره تیوبی انجام شد که شامل اتمسفر اکسیدی در یک مرحله، سینترینگ پودر با SPS و به‌صورت دو مرحله‌ای در اتمسفر هیدروژنی انجام شد. طبق نتایج XRD مدت‌زمان عملیات حرارتی 24 ساعت و دمای 1060 درجه سانتی‌گراد بر ورود سریوم به داخل ساختار گارنت تأثیر می‌گذارد. در نهایت با مقایسه نتایج اسپکتروسکوپی نوری، پاسخ نوری نمونه شیشه –سرامیک گارنتی سنتز شده در اتمسفر هیدروژن، در طول‌موج 400 نانومتر ایجاد می‌شود. بدین ترتیب ادعا می‌شود این مواد گارنتی در صنعت LED می‌تواند مورد استفاده واقع شوند.
[1] X. Sun, J. Wen, Q. Guo, F. Pang, Z. Chen, Y. Luo, G. Peng & T. Wang, "Fluorescence properties and energy level structure of Ce-doped silica fiber materials", Optical Materials Express, vol. 7, pp. 751-759, 2017.
[2] V. D. Paygin, A. E. Ilela, D. E. Deulina, G. V. Lyamina, S. A. Stepanov & T. R. Alishin, "The XVIII International Conference on Prospects of Fundamental Sciences Development (PFSD 2021) 27-30 April 2021", Tomsk, Russia, vol. 2, 1989.
[3] E. S. Dvilis, O. L. Khasanov, D. T. Valiev & M. Kalashnikov, "Spark plasma sintering of transparent YAG:Ce ceramics withLiF flux", Journal of Physics: Conference Series, 1989 (2021) 012008, IOP Publishing.
[4] Y. Pan, M. Wu & Q. Su, "Comparative investigation on synthesis and photoluminescence of YAG:Ce phosphor", Material Science and Engineering, vol. 106, pp. 251–256, 2004.
[5] A. Saat, H. Harun & Z. Hamzah, "Synthesis and characterization of YAG: Ce prepared by solid state reaction method", Malaysian Journal of Analytical Science, vol. 15, pp. 101–105, 2011.
[6] C. S. Chou, C. Y. Wu, C. H. Yeh, R. Y. Yang & J. H. Chen, "The optimum conditions for solid-state-prepared (Y3–xCex) Al5O12 phosphor using the Taguchi method", Advance Powder Technology, vol. 23, pp. 97–103, 2012.
[7] A. Lakshmanan, R. S. Kumar, V. P. Sivakumar, C. Thomas & M. T. Jose, "Synthesis, photoluminescence and thermal quenching of YAG:Ce phosphor for white light emitting diodes", Indian Journal of. Pure Applied Physics, vol. 49, pp. 303–307, 2011.
[8] L. Wang, L. Mei, G. He, J. Li & L. Xu, "Preparation of Ce:YAG Glass-Ceramics with Low SiO2", Journal of American Ceramic Society, vol. 94, pp. 3800–3803, 2011.
[9] H. Tagawa, "Thermal decomposition temperatures of metal sulfates", Thermochemical Acta, vol. 80, pp. 23–33, 1984.
[10] W. W. Wendlandt, "The thermal decomposition of yttrium and the rare earth metal sulphate hydrates", Journal of Inorganic. Nuclear Chemistry, pp. 751-754, 1985.
[11] U. Berwal, V. Singh & R. Sharma, "Effect of Ce4+→Ce3+ conversion on the structural and luminescence properties of Ce4+ doped Gd2Ti2O7 pyrochlore oxide", Journal of Luminescence, vol. 257, pp. 119-687, 2023.
[12] E. R. Kupp, S. Kochawattana, SH. Lee & et al, "Particle size effects on yttrium aluminum garnet (YAG) phase formation by solid-state reaction", Journal of Materials Research, vol. 29, pp. 2303–2311, 2014.
[13] J. Maeng & S. C. Choi, "The Effect of Cerium Reduction on Light Emission in Cerium-containing 20Y2O3-25Al2O3-55SiO2 Glass", Journal of the Optical Society of Korea, vol.16, pp. 414-417, 2012.
[14] V. Tucureanu, A. Matei & A. M. Avram, "Synthesis and characterization of YAG:Ce phosphors for white LEDs", Opto-Electronics Review, vol. 23, pp. 239-251, 2015.
[15] ع. گلشنی عجب‌شیر، م. رضوانی و م. ص. شاکری، "بررسی شیشه سرامیک‌های شفاف Li2O-Al2O3-SiO2 در حضور آلاینده‌ی، فرایندهای نوین در مهندسی مواد"، دوره 9، شماره 4، صفحه 21-26، 1394.
فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، سال هجدهم – شماره سوم – پاییز 1403 (شماره پیاپی 70)، صص. 1-11 | ||
| فصلنامه علمی پژوهشی فرآیندهای نوین در مهندسی مواد ma.iaumajlesi.ac.ir |
|
مقایسه و بررسی تأثیر اکسید سریوم و سولفات سریوم بر رفتار نوری شیشه و شیشه سرامیک یاگ
مقاله پژوهشی |
1- دانشیار، پژوهشکده سرامیک، پژوهشگاه مواد و انرژی، کرج، البرز، ایران.
* a.faeghinia@merc.ac.ir
اطلاعات مقاله |
| چکیده |
دریافت: 18/04/1402 | در این مقاله جهت تهیه شیشه و شیشه –سرامیک یاگ سیلیکاتی به روش ذوب از دو نمک سولفات سریوم و اکسید سریوم استفاده شد. طبق نتایج آنالیز نورتابی در هر دو شیشه، طیف نشر در بازه 460 و 420 نانومتر مربوط به یون سریوم با تهییج 240 نانومتر وجود داشتند. نشان داده شد که با عملیات حرارتی، کریستال گارنت (در نمونه سولفات دار) کمتر از نمونه حاوی اکسید سریوم تشکیل شد. نشر ایجاد شده در هر دو شیشه -سرامیک توسط فازهای سیلیکاتی با تهییج توسط 240 نانومتر در بازه طول‌موج 460 نانومتر به دست آمد. همچنین، طولموجهای 534 و 660 نانومتر با تهییج توسط طول‌موج 340 نانومتری به دست آمدند. عملیات حرارتی با سه روش جداگانه بر روی نمونهها در کوره تیوبی انجام شد که شامل اتمسفر اکسیدی در یک مرحله، سینترینگ پودر با SPS و به‌صورت دو مرحله‌ای در اتمسفر هیدروژنی انجام شد. طبق نتایج XRD مدت‌زمان عملیات حرارتی 24 ساعت و دمای 1060 درجه سانتی‌گراد بر ورود سریوم به داخل ساختار گارنت تأثیر می‌گذارد. در نهایت با مقایسه نتایج اسپکتروسکوپی نوری، پاسخ نوری نمونه شیشه –سرامیک گارنتی سنتز شده در اتمسفر هیدروژن، در طول‌موج 400 نانومتر ایجاد می‌شود. بدین ترتیب ادعا می‌شود این مواد گارنتی در صنعت LED می‌تواند مورد استفاده واقع شوند. | |
کلید واژگان: یاگ شیشه سرامیک نورتابی، شیشه سریوم. |
|
Comparing and Investigating on the Effect of Cerium Oxide and Cerium Sulfate on the Optical Behavior of YAG Glass and Ceramic Glass
Aida Faeghinia1*
1- Associate Professor, Department of Ceramic, Materials and Energy Research Center, Meshkindasht, Alborz, Iran.
* a.faeghinia@merc.ac.ir
Abstract |
| Article Information |
In this study, for preparation of theYAG silicate glass and glass-ceramic by melting method the cerium sulfate and cerium oxide salts were used separately.According to Luminescence results of both glasses there were emissions spectrums in the range of 460 and 420 nm wavelength related to cerium ions. It was shown that by heating treatment, garnet crystal (in sulfated sample) formed less than the sample with cerium oxide. The emission of both glass-ceramics caused by excitation at 240 nm in the range of 460 nm wavelength. Also, the 534 and 660 nm wavelengths emissions were obtained by 340 nm wavelength excitation. Heat treatments were done by oxidic atmosphere in tubular furnace (single step) and powder SPS sintered powder and in hydrogen atmosphere in two steps. According to XRD results the 24 hrs. heat treating time and the 1060˚C temperature has an effect on the entry of cerium into the garnet structure. Finally by comparing the spectroscopy results the optical response of the garnet glass-ceramic synthesized in the hydrogen atmosphere is obtained at a wavelength of 400 nm. It is claimed that this garnet can be applied in LED industr. | Original Research Paper Doi: | |
| Keywords: YAG Glass-Ceramic Luminescence Glass Cerium. |
1- مقدمه
لامپ‌های دیودی سفید، نسل جدیدی از لامپ‌های روشنایی حالت جامد هستند که استفاده از آنها در زندگی روزمره، عادی شده است. امروزه شیشه سرامیک‌های Ce:Y3Al5O12 به‌عنوان ماده فسفرسانس مطرح شده‌اند. از آنجا که میکرو کریستال‌های Ce:YAG با سازوکار تبلور سطحی در داخل زمینه شیشهای رسوب می‌کنند، می‌توانند پایداری خوبی در دمای بالا و در برابر رطوبت داشته باشند و با LEDهای تجاری سنتی نیز قابل مقایسه می‌باشند [1-3]. در LEDهای تجاری، مواد فسفرسانس در داخل زمینه رزینی تزریق می‌شوند. در Ce:YAG-GC یون‌های Ce3+ در داخل مکان‌های Y در میکرو کریستال‌های Ce:YAG رسوب داده می‌شوند و نور فلورسنت زرد را منتشر می‌کنند که به‌صورت نوری، توسط LED آبی تحریک می‌شوند [4]؛ بنابراین نشر نور سفید نهایی، می‌تواند با تلفیق نور تهییج آبی و نور زرد فلورسانس، به دست آید. تهیه شیشه‌های Ce:YAG به دلیل داشتن نقطه ذوب بالا و نیز تهیه شیشه- سرامیک آن به دلیل مقدار آلومینای بالا بسیار دشوار است و تلاش‌هایی برای حل این معضل انجام شده است که از جمله آن می‌توان به استفاده از سیلیس در فرمول شیشه YAG اشاره کرد. طبق تحقیقات قبلی، مقدار سیلیس و قلیائی‌ها در ترکیب اصلی شیشه باید زیر 40 درصد مولی باشد، زیرا که اگر از این حد بیشتر باشد، فاز YAS در سیستم متبلور می‌شود که سبب کاهش تبلور فاز گارنت YAG می‌شود. فاز گارنت از آنجا که میزبان مناسبی برای یون‌های نادر خاکی است، بنابراین، تبلور آن در فاز شیشه حائز اهمیت است. از سوی دیگر تشکیل فاز YAS در سیستم شیشه، خواص نورتابی شیشه را کاهش می‌دهد [5]. از طرفی، یون سریوم، می‌تواند در مذاب شیشه، به دو حالت اکسیداسیونی 3 و 4 وجود داشته باشد. با اعمال عملیات حرارتی، یون Ce3+ (یون سروس) داخل ساختار گارنت می‌شود و جایگزین یون ایتریا می‌شود که در اثر شکافتگی بلور، خاصیت نورتابی از خود نشان می‌دهد.
در تحقیقی که بر روی شیشه‌های 20Y2O3–34Al2O3–42.5SiO2–3Li2O–0.5Ce2O3- Ce:YAG GC
با روش ذوب و سرمایش سریع شده است، نشان داده شده است که با کاهش مقدار سیلیس در سیستم سیلیس دار YAS، پیک‌های نشر به طولموجهای بلندتر منتقل می‌شود و شدت نشر افزایش می‌یابد. همچنین نانو کریستال‌های YAG سبب شیفت قرمز و افزایش شدت نشر می‌شود [6-7]. ظاهراً، با کاهش مقدار سیلیس، آلومینا و ایتریا به‌عنوان شبکه ساز در شیشه عمل می‌کنند و سبب کاهش یون‌های اکسیژن غیر پل‌ساز می‌شوند. تشکیل اتصالات پل‌ساز مثل Al-O-Si سبب تغییر در محیط موضعی Ce می‌شود بنابراین شدت نشر نورتابی، طول‌موج آن و نیز شکل منحنی نشر، متناسب با افزایش دمای عملیات حرارتی می‌شود به‌عبارت‌دیگر نشر از لایه‌های الکترونی Dj→2F7/2,2F5/2 وابسته به میدان کریستالی یون‌های سریوم می‌شود.
در تحقیق دیگر [6] از روش شعله با نرخ سرمایش سریع برای تهیه شیشه -سرامیک YAS استفاده شده است. قابلیت شیشه‌سازی در سیستم YAS وابستگی زیادی به مقدار سیلیس دارد. در روش اسپری شعله، احتراق کامل استیلن، سبب ایجاد دمای بالای 3200 درجه سانتی‌گراد می‌شود، در حین ذوب، ذرات شیشه در داخل آب سرد می‌شوند، این سرمایش سریع، منجر به ایجاد YAS با مقدار سیلیس کم می‌شود. در سنتز حالت جامد گارنت، عملیات حرارتی در اتمسفر احیائی انجام می‌شود تا یون سروس، بیشتری تشکیل شود، اما برای تهیه مذاب شیشه YAG تاکنون، اشاره‌ای به اتمسفر محیط ذوب نشده است و نیز تاکنون تفاوت اتمسفر عملیات حرارتی مورد مقایسه قرار نگرفته است. از آنجا که عدد اکسیداسیون سریوم در شیشه و شیشه - سرامیک گارنت دارای اهمیت است، بنابراین با فرض این مسئله که تغییر منبع تأمین، می‌تواند در عدد اکسیداسیون سریوم نقش داشته باشد، در کار حاضر با تغییر منبع تأمین‌کننده سریوم، (نوع سولفاتی و نوع اکسیدی) در مذاب شیشه، سعی براین شد که رفتار یون سریوم در شیشه و شیشه –سرامیک به‌صورت غیرمستقیم از طریق اندازه‌گیری خواص اپتیکی شیشه و شیشه سرامیک حاصل بررسی شود. همچنین با این فرض که استفاده از SPS برای عملیات حرارتی شیشه یاگ می‌تواند شرایط احیائی هم‌زمان با فشار، ایجاد کند، بنابراین از این روش برای سینتر پودر شیشه و هم‌زمان عملیات حرارتی برای تبلور نیز استفاده شد. دستگاه سینتر جرقه پلاسما (SPS)، مورد استفاده در این پژوهش محصول شرکت Easy Fashion کشور چین میباشد. حداکثر جریان خروجی این دستگاه برابر با 10 کیلو آمپر و توان حداکثر آن برابر با 100 کیلووات میباشد.
2- روش آزمایش
مواد اولیه از شرکت آلدریچ، با مشخصات ذیل تهیه شد:
CAS-No. : 7784-18-1 AlF3:, CAS Number: 7681-49-4NaF, CAS Number: 1314-36-9;Y2O3, CAS Number: 1306-38-3 CeO2, CAS number: 10043-35-3H3BO3.
سیلیس اسید شویی شده از معدن ازندریان همدان و سولفات سریوم مضاعف هیدروکسیدی از جداسازی سریوم از مینرال مونازیت محلی به روش رسوب، از ضایعات وکنسانتره راکتور هسته‌ای تهیه شد که البته شامل ناخالصی‌های نئودیمیوم و ایتریا به مقدار 1000ppm نیز بود.
شکل (1 الف): الگوی XRD نمونه سولفات سریوم آمورف مصرفی.
شکل (1 ب): الگوی XRD نمونه اکسید سریوم مصرفی.
شکل (1 ج): ظاهر نمونههای شیشه ریخته شده با سریوم سولفات و اکسید سریوم.
شکل (1 د): منحنی زمان دما برای نمونه SPS.
همان‌طوری که مشاهده می‌شود رسوب ژله‌ای، سولفات سریوم، به‌صورت آمورف است و از نظر ساختاری، ساختار کریستالی ضعیفی دارد.
ترکیب استفاده شده برای تهیه شیشه یاگ، با استفاده از اکسید سریوم و سولفات سریوم به‌صورت زیر برحسب درصد مولی تهیه شد.
(1) |
|
