Lutetium aluminium granat
Lutetiumaluminiumgranat (vanligtvis förkortat LuAG , molekylformel Lu 3 Al 5 O 12 ) är en oorganisk förening med en unik kristallstruktur främst känd för sin användning i högeffektiva laserenheter . LuAG är också användbart vid syntes av transparent keramik .
LuAG är en dopbar scintillerande kristall som kommer att visa luminescens efter excitation . Scintillerande kristaller är valda för hög strukturell perfektion, hög densitet och högt effektivt atomnummer. LuAG är särskilt gynnad framför andra kristaller för sin höga densitet och värmeledningsförmåga . LuAG har en relativt liten gitterkonstant i jämförelse med andra sällsynta jordartsmetallgranater , vilket resulterar i en högre densitet som producerar ett kristallfält med smalare linjebredder och större energinivåuppdelning i absorption och emission. Dessa egenskaper gör den till en utmärkt värd för aktiva joner som Yb, Tm, Er och Ho som används i diodpumpade halvledarlasrar . Densiteten hos lutetiumkristallen är större än den hos andra metaller, såsom yttrium , vilket betyder att kristallegenskaperna inte förändras med tillsatsen av dopningsjoner . Det kan vara särskilt användbart för högenergipartikeldetektering och kvantifiering på grund av dess densitet och termiska stabilitet. Denna höga smälttemperatur, förutom bristen på tillgänglighet av lutetium, har gjort denna kristall mindre vanligt förekommande än sina granater, trots dess gynnsamma fysikaliska egenskaper.
Fysikaliska egenskaper och struktur
Lutetiumaluminiumgranat, med molekylformeln Lu 3 Al 5 O 12, har en komplex kubisk kristallstruktur. Enhetscellen innehåller 24 lutetiumatomer i c -ställen, 96 syreatomer i h -ställen och aluminium på 16 a- ställen och 24 d- ställen.
Massan av lutetiumjonen är närmare laseraktiva lantanider som används för dopning, vilket innebär att värmeledningsförmågan inte förändras som den skulle vara i andra granatstrukturer vid högre dopningsnivåer. Dessutom begränsar lutetiums kristallradie de förändringar som observeras i kristallstrukturen med dopning närvarande.
| Kemisk formel | Lu 3 Al 5 O 12 |
|---|---|
| Kristallstruktur | Kubisk |
| Molekylvikt | 851,81 g/mol |
| Densitet | 6,71 g/cm 3 |
| Smältpunkt | 1980 ˚C |
| Specifik värme | 0,419 J/gK |
Syntes
Lutetiumaluminiumgranat är en konstgjord kristall som kan odlas med en teknik som utvecklades för ungefär ett sekel sedan, Czochralskis tillväxtprocess. Denna metod möjliggör bildning av enkristallcylindrar av olika scintillatorer. Metoden används för tillväxt av halvledare, oxider, fluorider och halogenidkristaller förutom metallkristaller.
Tillväxtprocessen för LuAG är relativt enkel på grund av dess kristallografiska struktur och fysiokemiska egenskaper. Men på grund av materialens termiska stabilitet kräver denna tillväxt en apparat som klarar en hög strömförsörjning och temperaturer på upp till 2500 ˚C.
Hydrotermisk tillväxt av granater har registrerats sedan 1960-talet och har nu demonstrerats för LuAG som en alternativ teknik till den traditionella smältmetoden som användes tidigare. Denna metod gör det möjligt att odla kristaller vid lägre temperaturer, vilket begränsar de termiskt inducerade defekterna som resulterar i vidder av optiskt värdelösa kristaller.
Denna metod användes utan användning av LuAG-frö på grund av dess otillgänglighet och kostnad. Istället utfördes tillväxten med hjälp av granatkristaller av yttriumaluminium med en minimal gittermissanpassning på 0,6 %. Tillväxten gjordes med hjälp av pulveriserad lutetium(III)oxid och krossad safirråvara med 2M kaliumbikarbonatmineraliserare med en termisk gradient på 610 - 640 ˚C.
Ansökningar
Laserprocessen som involverar aluminiumgranatkristaller utförs av dopningsatomerna, vanligtvis sällsynta jordartsmetaller, som tar platsen för ett fåtal atomer av den ursprungliga metallen i kristallstrukturen (i detta fall lutetium). Rollen för de osubstituerade atomerna av lutetium, aluminium och syre fungerar som stöd för dopingjonerna.