Nanosystems: Phys. Chem. Math., 2023, 14 (6), 690–698
Optical glass-ceramics based on Fe2+: MgAl2O4 nanocrystals and nucleated by TiO2 and ZrO2
Vasilisa S. Bukina – Vavilov State Optical Institute, 36 Babushkina St., St. Petersburg, 192171, Russia; nakara.orihara@mail.ru
Olga S. Dymshits – Vavilov State Optical Institute, 36 Babushkina St., St. Petersburg, 192171; Ioffe Institute, 26 Politekhnicheskaya, St Petersburg, 194021, Russia; vodym1959@gmail.com
Irina P. Alekseeva – Vavilov State Optical Institute, 36 Babushkina St., St. Petersburg, 192171, Russia; vgolub19@gmail.com
Anna A. Volokitina – Vavilov State Optical Institute, 36 Babushkina St., St. Petersburg, 192171, Russia; anna.itmo@gmail.com
Svetlana S. Zapalova – Vavilov State Optical Institute, 36 Babushkina St., St. Petersburg, 192171, Russia; zenii99@yandex.ru
Aleksandr A. Zhilin – D.V. Efremov Institute of Electrophysical Apparatus, 3 Doroga na Metallostroi, pos. Metallostroi, St. Petersburg, 196641, Russia; zhilin1311@yandex.ru
Corresponding author: Olga 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 10.17586/2220-8054-2023-14-6-690-698
ABSTRACT Transparent glass-ceramics of magnesium aluminosilicate system based on Fe2+:MgAl2O4 spinel nanocrystals nucleated by a mixture of TiO2 and ZrO2 and doped with 0.6 mol% FeO were developed. The glass was melted at 1580 °C with stirring and heat-treated in the temperature range from 800 to 1300 °C. The structure and spectroscopic properties of the glass and glass-ceramics were studied by DSC and XRD methods, Raman and absorption spectroscopy. ZrTiO4 nanocrystals 6 nm in size precipitate during the nucleation heat-treatment at 800 °C. Spinel nanocrystals 9–14 nm in size are formed during heat-treatments at 850-1000 °C. Intense absorption at ∼2 μm is observed due to Fe2+ ions in tetrahedral positions in these crystals. Iron-doped sapphirine crystallization in transparent glass-ceramics at 1000–1050 °C results in a decrease of absorption in this spectral range. The glass-ceramics are important for the development of saturable absorbers for the spectral range of 2–3 μm.
KEYWORDS Nanocrystals, spinel, transparent glass-ceramics, ferrous ions, nucleating agents.
ACKNOWLEDGEMENTS This work was partly supported by the Russian Science Foundation (Grant 23-23-00446).
FOR CITATION Bukina V.S., Dymshits O.S., Alekseeva I.P., Volokitina A.A., Zapalova S.S., Zhilin A.A. Optical glass-ceramics based on Fe2+: MgAl2O4 nanocrystals and nucleated by TiO2 and ZrO2. Nanosystems: Phys. Chem. Math., 2023, 14 (6), 690–698.
[In Russian] В. Букина, O. Дымшиц, И. Алексеева, A. Волокитина, С. Запалова, A. Жилин
Оптические стеклокристаллические материалы на основе нанокристаллов Fe2+: MgAl2O4, содержащие TiO2 и ZrO2 в качестве нуклеаторов кристаллизации
АННОТАЦИЯ Созданы прозрачные магниевоалюмосиликатные стеклокристаллические материалы с нанокристаллами алюмомагниевой шпинели Fe2+:MgAl2O4 в качестве основной кристаллической фазы. Материалы содержат смесь TiO2 и ZrO2 в качестве нуклеатора объемной кристаллизации и 0.6 мол% FeO в качестве активатора. Исходное стекло было синтезировано при температуре 1580 °C с перемешиванием и термообработано в интервале температур от 800 до 1300 °C. Структура и спектральные свойства исходного стекла и полученных из него стеклокристаллических материалов были исследованы методами ДСК и РФА, спектроскопии комбинационного рассения света и абсорбционной спектроскопии. Нанокристаллы ZrTiO4 размером 6 нм выделяются на стадии предситаллизации при температуре 800 °C. Нанокристаллы шпинели размером 9-14 нм образуются при термообработке в интервале температур 850 – 1000 °C. Интенсивное поглощение света в области 2 мкм обусловлено ионам Fe2+, входящими в тетраэдрические позиции нанокристаллов шпинели. Кристаллизация железосодержащего сапфирина в прозрачных стеклокристаллических материалах при температуре термообработке 1000 и 1050 °C приводит к уменьшению поглощения в этом спектральном диапазоне. Созданные материалы могут быть использованы для разработки насыщающихся поглотителей спектрального диапазона 2-3 мкм.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА нанокристаллы, шпинель, прозрачные стеклокристаллические материалы, ионы железа (II), нуклеаторы объемной кристаллизации
