本發(fā)明涉及激光材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種YSAG基納米粉體及其制備方法。
背景技術(shù)：
激光器根據(jù)使用介質(zhì)的不同，主要分為固體激光器、液體激光器、氣體激光器和半導(dǎo)體激光器。固體激光器，尤其是半導(dǎo)體激光泵浦全固態(tài)激光器(DPL)，由于其具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、便于攜帶、維護(hù)與操作簡(jiǎn)單以及輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)，自出現(xiàn)以來(lái)，一直占據(jù)激光器發(fā)展的主導(dǎo)地位，逐漸成為光電行業(yè)中最具發(fā)展前景的領(lǐng)域之一。激光材料對(duì)產(chǎn)生激光起決定性的作用，是激光技術(shù)發(fā)展的核心和基礎(chǔ)。因此，對(duì)激光材料的研究結(jié)果在整個(gè)固體激光器的發(fā)展中起著決定性作用。多晶透明陶瓷具有高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)率、可摻雜濃度高、可制備大尺寸塊體，與單晶和玻璃相比在激光材料的應(yīng)用上具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。
釔鈧鋁石榴石(Y3Sc2Al3O12，YSAG)是在YAG的基礎(chǔ)上，由Sc3+部分替換Al3+所形成的新型激光晶體。Sc3+的引入導(dǎo)致晶體晶格膨脹，適合激活離子的高濃度摻雜，可以減弱濃度猝滅現(xiàn)象。
為了獲得光學(xué)性能優(yōu)異的透明陶瓷，要求合成高純、粒徑小且分布均勻、團(tuán)聚弱的納米粉體。目前，國(guó)內(nèi)外制備納米粉體主要采用固相合成、共沉淀法、溶膠-凝膠法和燃燒法。溶膠-凝膠法(sol-gel)作為一種濕化學(xué)法具有化學(xué)組分均勻、高純度、超細(xì)性、制備溫度低、節(jié)省能源等優(yōu)點(diǎn)，適合制備短余輝、實(shí)現(xiàn)分子級(jí)均勻摻雜，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、成本低廉陶瓷粉體材料，然而溶膠-凝膠法合成的納米粉體存在嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象，制約了粉體的應(yīng)用。
有鑒于此，特提出本發(fā)明。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題
針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是解決現(xiàn)有制備方法無(wú)法制得粒徑小，分散性好的釔鈧鋁石榴石基納米粉體的問(wèn)題。
(二)技術(shù)方案
為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種YSAG基納米粉體的制備方法，包括如下步驟：
(1)、配制Y3+、Al3+、Sc3+、Re13+和Re23+的硝酸鹽混合溶液，確保各離子的配比能夠得到釔鈧鋁石榴石，然后加入EDTA和乙二醇，得到制備溶液，所述制備溶液在超聲條件下加熱，經(jīng)溶膠-凝膠過(guò)程，得到凝膠；
(2)、將所述凝膠放入液氮中冷凍，然后將經(jīng)冷凍的凝膠進(jìn)行冷凍干燥，得到干凝膠；
(3)、將所述干凝膠研磨成粉后再進(jìn)行煅燒，得到釔鈧鋁石榴石基納米粉體。
在步驟(1)中，根據(jù)要制備的釔鈧鋁石榴石基納米粉體中釔鈧鋁石榴石的化學(xué)式確定所用原料試劑的種類及用量，然后配制硝酸鹽混合溶液。本發(fā)明中制備的釔鈧鋁石榴石的化學(xué)式為：Y3-x-ySc2Al3O12:Re1x,Re2y；其中，
Re1和Re2為稀土元素?fù)诫s劑，并獨(dú)立地選自由鈰、鐠、釹、釤、銪、鏑、鈥、鉺、銩、鐿組成的組中的任一種，x+y的取值范圍為0～0.25。
在步驟(1)中，配制Y3+、Al3+、Sc3+、Re13+和Re23+的硝酸鹽混合溶液時(shí)，為了確保各離子的配比能夠得到釔鈧鋁石榴石，則在硝酸鹽混合溶液中，需要確保Y3+、Al3+、Sc3+、Re13+和Re23+的摩爾比為((3-x-y)*k)：(2)：(3)：(x)：(y)，其中，x+y的取值范圍為0～0.25，k的取值范圍為0.9～1.1。
優(yōu)選地，在步驟(1)中，Y3+、Al3+、Sc3+、Re13+和Re23+總的起始濃度為0.8～1.0mol/L。
優(yōu)選地，在步驟(1)中，所述EDTA與總的金屬離子的摩爾比為1：(0.8～1.3)；和/或，
所述乙二醇與總的金屬離子的摩爾比為1：(1～5)。
優(yōu)選地，在步驟(1)中，所述制備溶液在超聲條件下加熱之前還包括將pH調(diào)制至5.5～9.5的步驟，優(yōu)選的是使用氨水進(jìn)行調(diào)節(jié)。
優(yōu)選地，所述超聲的頻率為40～60Hz，時(shí)間為10～30分鐘。
優(yōu)選地，在步驟(2)中，將所述凝膠放入液氮中冷凍的時(shí)間為0.5～30分鐘。
進(jìn)一步優(yōu)選地，所述冷凍干燥的溫度為-40～-70℃，壓力為10～15Pa。
在這一步驟中，本發(fā)明人意外發(fā)現(xiàn)，采用凝膠-冷凍干燥技術(shù)，可以顯著減少團(tuán)聚現(xiàn)象，推測(cè)可能是該技術(shù)以升華的方式使凝膠的溶劑揮發(fā)，避免溶劑分子因汽化引起的強(qiáng)毛細(xì)收縮作用，從而緩解納米粉體的團(tuán)聚現(xiàn)象。而且，本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，采用這種技術(shù)還能夠保持合成材料的原始微觀形貌。另外，本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，對(duì)于水溶劑凝膠，通過(guò)對(duì)冷凍過(guò)程的優(yōu)化，在水形成冰過(guò)程中，氫鍵的迅速扭曲對(duì)粉體前軀體相鄰顆粒間-OH基團(tuán)的交接進(jìn)行切割，還可以進(jìn)一步解決納米粉體團(tuán)聚的問(wèn)題，從而得到分散性得到進(jìn)一步優(yōu)化的納米粉體。
優(yōu)選地，在步驟(3)中，所述煅燒的溫度為600～1000℃，時(shí)間為2～4h。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)凝膠-冷凍干燥技術(shù)得到的干凝膠，可以在明顯較低的溫度下煅燒，即可得到粒徑小，分布均勻，團(tuán)聚少，基本呈球狀的單分散狀態(tài)的釔鈧鋁石榴石基納米粉體。
本發(fā)明還提供了一種釔鈧鋁石榴石基納米粉體，所述釔鈧鋁石榴石的化學(xué)式為：Y3-x-ySc2Al3O12:Re1x,Re2y；其中，
Re1和Re2為稀土元素，均選自鈰、鐠、釹、釤、銪、鏑、鈥、鉺、銩、鐿中的任一種，x+y的取值范圍為0～0.25。
具體來(lái)說(shuō)：
當(dāng)x的取值為0且y的取值也為0時(shí)，釔鈧鋁石榴石的化學(xué)式為Y3Sc2Al3O12，此時(shí)釔鈧鋁石榴石中沒(méi)有摻雜稀土元素；
當(dāng)x的取值為0且y的取值不為0時(shí)，此時(shí)，釔鈧鋁石榴石的化學(xué)式為Y3-ySc2Al3O12:Re2y；
當(dāng)x的取值不為0且y的取值為0時(shí)，此時(shí)，釔鈧鋁石榴石的化學(xué)式為Y3-xSc2Al3O12:Re1x；
最后，還存在x的取值不為0且y的取值不為0的情況，此時(shí)，釔鈧鋁石榴石的化學(xué)式為：Y3-x-ySc2Al3O12:Re1x,Re2y。
(三)有益效果
本發(fā)明的上述技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：
本發(fā)明所采用的原料簡(jiǎn)單易得，操作簡(jiǎn)便，原料損失少，制備周期短。在制備過(guò)程中，通過(guò)控制原料的配比，調(diào)節(jié)初始溶液的濃度，調(diào)節(jié)pH值，采用凝膠-冷凍干燥技術(shù)以及在不同溫度下煅燒來(lái)控制產(chǎn)品的晶型、形貌以及尺寸，在較低煅燒溫度(1000℃)下保溫2h得到了粉體粒徑小，分布均勻，團(tuán)聚弱，基本呈球狀的單分散釔鈧鋁石榴石基納米粉體。
附圖說(shuō)明
圖1是本發(fā)明實(shí)施例一制備得到的樣品的SEM圖。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
注：本本發(fā)明實(shí)施例中所用的試劑均為分析純。
實(shí)施例一
Y2.88Sc2Al3O12:Er0.12制備方法：
稱取5.627g Al(NO3)3·9H2O、1.545g Y2O3、0.521g Sc2O3、0.096g Er2O3，配制得到Al3+、Y3+、Sc3+、Er3+的硝酸鹽混合溶液，向這一混合溶液中加入14.613g的EDTA和4.5ml的乙二醇，用去離子水控制溶液總量為150ml。磁力攪拌器加熱攪拌，在不斷攪拌的情況下用氨水調(diào)節(jié)體系pH值為8.0。超聲環(huán)境下75℃恒溫水浴中加熱蒸發(fā)6小時(shí)使其成膠，最終獲得半透明的凝膠。
將凝膠放入液氮中冷凍10分鐘，將冷凍狀態(tài)下的凝膠轉(zhuǎn)入冷凍干燥機(jī)保持-60℃溫度和13.5Pa壓力環(huán)境冷凍干燥12小時(shí)，得到干凝膠。
將干凝膠經(jīng)研磨后再經(jīng)800℃煅燒3小時(shí)，得到Y(jié)2.88Sc2Al3O12:Er0.12納米粉體。
采用美國(guó)FEI公司QUANTA FEG250型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)所得的樣品進(jìn)行分析，結(jié)果表明，粉體形貌基本為球形的單分散狀態(tài)，粒徑小，尺寸在40nm左右，而且分散性良好，團(tuán)聚弱(參見(jiàn)圖1)。
實(shí)施例二
Y2.65Sc2Al3O12:Er0.1,Yb0.25制備方法：
稱取11.046g Al(NO3)3·9H2O、2.992g Y2O3、1.354g Sc2O3、0.192g Er2O3、0.493g Yb2O3，配制得到Al3+、Y3+、Sc3+、Er3+、Yb3+的硝酸鹽混合溶液。向這一混合溶液中加入24.51g的EDTA和8.9ml的乙二醇，用去離子水控制溶液總量為400ml。磁力攪拌器加熱攪拌，在不斷攪拌的情況下用氨水調(diào)節(jié)體系pH值為8.0。超聲環(huán)境下75℃恒溫水浴中加熱蒸發(fā)8小時(shí)使其成膠，最終獲得半透明的凝膠。
將凝膠放入液氮中冷凍15分鐘，將冷凍狀態(tài)下凝膠轉(zhuǎn)入冷凍干燥機(jī)保持-55℃溫度和13.5Pa壓力環(huán)境冷凍干燥20小時(shí)，得到干凝膠。
將干凝膠經(jīng)研磨后再經(jīng)800℃煅燒4小時(shí)得到樣品。
采用美國(guó)FEI公司QUANTA FEG250型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)樣品進(jìn)行分析，結(jié)果表明，粉體形貌基本為球形，尺寸在60nm左右，分散性良好。
實(shí)施例三
Y2.88Sc2Al3O12:Er0.12制備方法：
基本步驟同實(shí)施例一，不同之處在于：
在步驟(1)中，用氨水將pH調(diào)節(jié)為5.5；
在步驟(2)中，冷凍干燥的溫度旋轉(zhuǎn)零下40℃，壓力選擇10Pa；
在步驟(3)中，煅燒的溫度為600℃，時(shí)間為4h。
采用美國(guó)FEI公司QUANTA FEG250型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)所得的樣品進(jìn)行分析，結(jié)果表明，粉體形貌基本為球形，尺寸在40nm左右，分散性良好。
實(shí)施例四
Y2.88Sc2Al3O12:Er0.12制備方法：
基本步驟同實(shí)施例一，不同之處在于：
在步驟(1)中，用氨水將pH調(diào)節(jié)為9.5；
在步驟(2)中，冷凍干燥的溫度旋轉(zhuǎn)零下70℃，壓力選擇15Pa；
在步驟(3)中，煅燒的溫度為1000℃，時(shí)間為2h。
采用美國(guó)FEI公司QUANTA FEG250型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)所得的樣品進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，粉體形貌基本為球形，尺寸在50nm左右，分散性良好。
實(shí)施例五
Y3Sc2Al3O12制備方法：
稱取11.046g Al(NO3)3·9H2O、2.992g Y2O3、1.354g Sc2O3，配制得到Al3+、Y3+、Sc3+的硝酸鹽混合溶液，向這一混合溶液中加入14.613g的EDTA和4.5ml的乙二醇，用去離子水控制溶液總量為150ml。磁力攪拌器加熱攪拌，在不斷攪拌的情況下用濃氨水調(diào)節(jié)體系pH值為8.0。超聲環(huán)境下75℃恒溫水浴中加熱蒸發(fā)6小時(shí)使其成膠，最終獲得半透明的凝膠。
將凝膠放入液氮中冷凍10分鐘，將冷凍狀態(tài)下凝膠轉(zhuǎn)入冷凍干燥機(jī)保持-60℃溫度和13.5Pa壓力環(huán)境冷凍干燥，得到干凝膠。
將干凝膠經(jīng)研磨后再經(jīng)800℃煅燒2小時(shí)得到Y(jié)2.88Sc2Al3O12:Er0.12納米粉體。
采用美國(guó)FEI公司QUANTA FEG250型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)所得的樣品進(jìn)行分析，結(jié)果表明，粉體形貌基本為球形，尺寸在40nm左右，分散性良好。
對(duì)比例一
采用煅燒法制備摻雜Er和Yb的釔鈧鋁石榴石基納米粉體，具體的制備方法如下：
稱取11.046g Al(NO3)3·9H2O、2.992g Y2O3、1.354g Sc2O3、0.192g Er2O3、0.493g Yb2O3，配制得到Al3+、Y3+、Sc3+、Er3+、Yb3+的硝酸鹽混合溶液，攪拌下，滴加入過(guò)量的碳酸氫銨溶液中(濃度為0.5mol/L)，完畢后得膠狀沉淀，pH值為8左右。抽濾，蒸餾水洗2次，無(wú)水乙醇洗2次，在110℃干燥4小時(shí)，研磨，過(guò)篩，然后放在高溫爐中，1200℃煅燒4小時(shí)，獲得摻鉺YSAG基粉體。
采用美國(guó)FEI公司QUANTA FEG250型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)所得的樣品進(jìn)行分析，結(jié)果表明，制得的粉體粒徑在50nm左右，但是分散性很差，團(tuán)聚情況嚴(yán)重。
對(duì)比例二
本對(duì)比例的制備方法基本上同實(shí)施例一相同，區(qū)別在于，在本對(duì)比例的制備方法中，沒(méi)有進(jìn)行冷凍干燥，將凝膠放入液氮后冷凍，將冷凍后的凝膠直接進(jìn)行煅燒。
采用美國(guó)FEI公司QUANTA FEG250型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)所得的樣品進(jìn)行分析，結(jié)果表明，制得的粉體粒徑在80nm左右，分散性很差，團(tuán)聚情況嚴(yán)重。
最后應(yīng)說(shuō)明的是：以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。