Tb:CaF2纳米粉体的合成与表征开题报告

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1. 研究目的与意义（文献综述）

磁光效应是指具有固有磁矩的物质在外加磁场的作用下，物质的电磁特性(如磁导率、磁化强度、磁化方向、磁畴结构、介电常数等)发生变化，使得光在其内部的传输特性(如偏振状态、相位、光强、传输方向、频率等)也发生变化的现象，目前研究和应用最广泛的是法拉第效应和克尔效应。而磁光材料是一种从紫外到红外波段具有磁光效应的光信息功能材料，利用其磁光特性以及光、电、磁的相互作用和转换，可以制成具有各种功能的光学器件，广泛应用于激光、光纤通信、光纤传感等高科技领域，如：光隔离器、磁光开关、激光陀螺偏频磁镜和磁光传感器等。其中，光隔离器是一种只允许单向光通过的光非互异器件，可以对光纤通信或高功率激光系统中的反向光进行有效隔离，从而减少对光源的干扰，提高系统的稳定性。磁光材料作为光隔离器的核心部件，其研究越来越受到人们的重视。

常见的磁光材料主要包括磁光晶体、磁光玻璃以及磁光陶瓷。磁光玻璃分为顺磁玻璃和逆磁玻璃，其中顺磁玻璃的verdet常数较大，可以提高磁光效应的灵敏度，且其各项均匀性好、成本低廉、可制备大尺寸、易拉制成光纤，因此广泛应用于光纤通讯、激光系统、电力传输等方面。但其存在热导率较低，热稳定性较差，在高激光功率下容易出现自聚焦现象从而对介质造成损伤等缺点。相比于磁光玻璃，磁光晶体具有更高的热导率，有效地避免了使用过程中的热效应问题，同时其磁光性能也优于磁光玻璃，在制备小尺寸的磁光器件方面更具有优势。磁光晶体主要包括钇铁石榴石(y₃fe₅o₁₂，yig)、铽镓石榴石(tb₃ga₅o₁₂，tgg)、铽铝石榴石(tb₃al₅o₁₂，tag)等，但磁光晶体具有不宜制成大体积块材，晶体具有各向异性会产生双折射，制备周期较长，成本也相对较高等问题，限制了其应用范围。随着粉体制备技术和陶瓷烧结技术的发展，透明陶瓷的制备已成为现实，其光学质量得到极大地提高，几乎可以与晶体材料媲美。磁光透明陶瓷的热导率和磁光晶体相当，热扩散性能较好，可以有效防止激光过程中的热损伤。和磁光晶体相比，磁光透明陶瓷更容易获得较大的尺寸，且其成本低、断裂韧性高，抗热震性能好。这些性能上的优势满足了高功率激光器对大口径磁光元件的要求，使得磁光透明陶瓷在高能以及高平均功率激光系统中具有很好的应用前景。目前已出现的磁光透明陶瓷材料主要有铽镓石榴石（tgg）陶瓷、铽铝石榴石（tag）陶瓷、倍半氧化物磁光透明陶瓷等。但tag和tgg陶瓷的光学质量扔需提高，以降低吸收损耗，倍半氧化物磁光透明陶瓷研究较少，且其可控制备及光学性能的改善需进一步研究。

caf₂基质材料具有熔点低、折射率低、声子能量低、透光范围广、在可见光波长范围内理论透过率高等特点。低熔点表明caf₂基质材料的烧结制备温度较低，在大规模生产上可以有效地降低成本，声子能量低表明激活离子掺杂caf₂基质材料后受基质晶体场环境的影响较弱。同时tb³ 离子4f-5d之间的跃迁正好处于短波长，因此tb：caf₂可以显著提高短波长处的法拉第旋转效率，但目前研究氟化钙透明陶瓷作为法拉第磁光隔离器的还较少。共沉淀法能实现元素在原子尺寸的均匀混合，且合成的粉体具有化学纯度高、粒径分布窄、分散性好及烧结活性高等优点，有利于获得高光学质量的透明陶瓷。tb：caf₂纳米粉体是制备tb：caf₂磁光透明陶瓷的关键原料，为了获得高光学质量的tb：caf₂磁光透明陶瓷，研究共沉淀法制备高纯、低团聚、高烧结活性的tb：caf₂纳米粉体十分必要。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 研究目标

1. 摸索出共沉淀法合成高纯、低团聚、高烧结活性tb：caf₂纳米粉体的工艺条件;

2. 将不同浓度tb³ 离子掺杂的caf₂纳米粉体进行比较实验，确定出tb：caf₂纳米粉体性能最优时的tb³ 离子掺杂浓度。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅与研究课题相关的文献资料，完成英文翻译。明确研究的主要目的和大致内容，学习了解实验所需原料、仪器和设备。确定切实可行的技术方案，并独立完成开题报告。

第4－7周：按照初步确定的实验方案，研究共沉淀法合成不同浓度tb³ 离子掺杂的caf₂纳米粉体。

第8－13周：采用xrd、fe-sem、tem、bet以及激光粒度仪等技术对tb：caf₂纳米粉体进行表征，研究该纳米粉体的晶体结构，化学成分，微观形貌及其粒度分布，并制备出tb：caf₂透明陶瓷。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 李江，戴佳卫，潘裕柏，磁光透明陶瓷的研究进展，无机材料学报，2018，33(1): 1-8.

[2] 戴佳卫. 铽铝石榴石(tb₃al₅o₁₂)基磁光透明陶瓷的制备与性能研究[d].上海：中国科学院上海硅酸盐研究所,2018:15-30.

[3] 易果强. 稀土离子nd³ /pr³ 掺杂caf₂透明陶瓷的制备与光谱性能调控[d].武汉：武汉理工大学新材所,2019:11-35.