Nanosystems: Phys. Chem. Math., 2025, 16 (1), 58–66
Nanostructured transparent Fe2+-doped lithium aluminosilicate glass-ceramics with tunable optical properties: effect of heat-treatment regimes on near-infrared absorption
Kristina A. Trukhanova – Nordwestlab LLC, St. Petersburg, Russia; kristina.truhanova@gmail.com
Olga S. Dymshits – Ioffe Institute, St. Petersburg; Vavilov State Optical Institute, St. Petersburg, Russia; vodym1959@gmail.com
Irina P. Alekseeva – Vavilov State Optical Institute, St. Petersburg, Russia; vgolub19@gmail.com
Kirill V. Bogdanov – ITMO University, St. Petersburg, Russia; kirw.bog@gmail.com
Svetlana S. Zapalova – Vavilov State Optical Institute, St. Petersburg, Russia; zenii99@yandex.ru
Maksim I. Tenevich – Ioffe Institute, St. Petersburg, Russia; mtenevich@gmail.com
Anastasia K. Bachina – Ioffe Institute, St. Petersburg, Russia; a.k.bachina@yandex.ru
Vadim I. Popkov – Ioffe Institute, St. Petersburg, Russia; vip-07@yandex.ru
Aleksandr A. Zhilin – D. V. Efremov Institute of Electrophysical Apparatus, pos. Metallostroi, St. Petersburg, Russia; zhilin1311@yandex.ru
Corresponding author: O.S. Dymshits, vodym1959@gmail.com
PACS 78.67.Bf, 61.46.Hk, 42.70.Ce, 64.75.Jk, 81.10.Aj, 78.20.Ci
DOI 10.17586/2220-8054-2025-16-1-58-66
ABSTRACT This study explores optical tuning of nanostructured transparent lithium aluminosilicate glass-ceramics nucleated by titania and doped with Fe2+ ions. The glass was melted at 1620 °C and heat-treated between 660 °C and 800 °C, yielding nanocrystals of γ-Al2O3 (2 – 23 nm) and β-quartz solid solutions (8 – 40 nm). Fe2+ ions in octahedral coordination in the initial glass are responsible for absorption in the 1000 – 1400 nm range. Tetrahedrally coordinated Fe2+ ions in γ-Al2O3 are responsible for absorption at 1550 – 2300 nm. Crystallization of β-quartz solid solutions leads to decreasing the γ-Al2O3 fraction and corresponding decrease of absorption at 1550 – 2300 nm. Differential scanning calorimetry, scanning electron microscopy, X-ray diffraction, Raman and optical spectroscopy reveal the relationship between heat-treatment regimes, crystalline phase development, and optical performance, highlighting the potential of Fe2+-doped LAS glass-ceramics for advanced photonic applications. The glass-ceramics exhibit customizable optical properties, promising for saturable absorbers in passive Q-switching lasers.
KEYWORDS Nanophase glass-ceramics, γ-Al2O3 nanocrystals, nanocrystals of β-quartz solid solution, Fe2+ ions
ACKNOWLEDGEMENTS This work was partly supported by the Russian Science Foundation (Grant 23-23-00446).
FOR CITATION Trukhanova K.A., Dymshits O.S., Alekseeva I.P., Bogdanov K.V., Zapalova S.S., Tenevich M.I., Bachina A.K., Popkov V.I., Zhilin A.A. Nanostructured transparent Fe2+-doped lithium aluminosilicate glass-ceramics with tunable optical properties: effect of heat-treatment regimes on near-infrared absorption. Nanosystems: Phys. Chem. Math., 2025, 16 (1), 58–66.
[In Russian] К.А. Труханова, О.С. Дымшиц, И.П. Алексеева, К.В Богданов, С.С. Запалова, М.И. Теневич, А.К. Бачина, В.И. Попков, А.А. Жилин
Наноструктурированные прозрачные литиевоалюмосиликатные ситаллы, содержащие ионы Fe2+, с регулируемыми оптическими свойствами: влияние режимов термообработки на поглощение в ИК области спектра
АННОТАЦИЯ В работе исследована оптическая настройка наноструктурированных прозрачных литиевоалюмосиликатных ситаллов, содержащих диоксид титана в качестве нуклеатора кристаллизации и допированных ионами Fe2+. Стекло было сварено при температуре 1620 °C и термообработано в интервале температур 660 °C – 800 °C, в результате были выделены нанокристаллы γ-Al2O3 (2–23 нм) и твердых растворов β-кварца (8–40 нм). Ионы Fe2+ в октаэдрической координации в исходном стекле отвечают за поглощение в диапазоне 1000–1400 нм. Тетраэдрически координированные ионы Fe2+ в нанокристаллах γ-Al2O3 отвечают за поглощение в диапазоне 1550–2300 нм. Кристаллизация твердых растворов β-кварца приводит к уменьшению доли γ-Al2O3 и соответствующему уменьшению поглощения в области 1550–2300 нм. Дифференциальная сканирующая калориметрия, сканирующая электронная микроскопия, рентгеновская дифракция, спектроскопия комбинационного рассеяния света и оптическая спектроскопия выявляют взаимосвязь между режимами термообработки, развитием кристаллической фазы и оптическими характеристиками, подчеркивая потенциал ситаллов литиевоалюмосиликатной системы, легированных ионами Fe2+, для передовых фотонных приложений. Ситаллы демонстрирует настраиваемые оптические свойства, идеально подходящие для насыщающихся поглотителей лазеров с пассивной модуляцией добротности.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА Наноразмерные ситаллы, нанокристаллы γ-Al2O3, нанокристаллы β-кварцевого твердого раствора, ионы Fe2+
